análisis de la confiabilidad de un sistema de distribución

IEL1-2002-II-13

Proyecto de Grado

Análisis de la Confiabilidad de un Sistema de

Distribución con Generación Distribuida.

Autor

Juan Bernardo Moreno Cruz

Asesores

Maria Teresa Rueda de Torres

José Aníbal Ramírez

Bogotá, Diciembre 2002

Universidad de los Andes

Facultad de Ingeniería

Departamento de Eléctrica y Electrónica

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1. GENERACIÓN DISTRIBUIDA 4

1.1. Antecedentes 41.1.1. ¿Que es la Generación Distribuida (GD)? 41.1.2. ¿Porque explorar este campo? 5

1.2. Ventajas y Desventajas de la Generación Distribuida 51.2.1. Ventajas: 51.2.2. Desventajas: 6

1.3. Alternativas Energéticas para la Generación Distribuida. 6

1.4. Uso Actual de la Generación Distribuida. 7

1.5. Calidad de la Potencia en los Sistemas Actuales. 81.5.1. Eventos y Características de la Calidad de la Potencia. 81.5.2. La Generación Distribuida en la Calidad de la Potencia de los Sistemas de DistribuciónActuales9

2. METODOLOGÍA DE ESTUDIO 15

2.1. Introducción. 15

2.2. Técnicas de Evaluación 152.2.1. Definición de los Índices de Confiabilidad 152.2.2. Modelo Predictivo 162.2.3. Evaluación de la confiabilidad básica. 172.2.4. Aplicación del Modelo 17

2.3. Análisis Técnico del Sistema Evaluado 182.3.1. Descripción del Sistema. 182.3.2. Descripción de los casos de estudio. 20

3. ESTUDIO DE LA CONFIABILIDAD DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS21

3.1. Introducción 21

3.2. Análisis de los Circuitos desde el Punto de Vista de la Confiabilidad 22

3.3. Descripción del Modelamiento por Simulaciones de Montecarlo. 253.3.1. Distribución de Probabilidad de las Secciones del Circuito. 263.3.2. Calculo de Indicadores. 30

3.4. Aplicación del Modelo a los Circuitos Bajo de Estudio 31

3.5. Análisis Comparativo de los Indicadores de los Circuitos con Generación Distribuida y sinGeneración Distribuida 39

3.5.1. Escenario Urbano 403.5.2. Escenario Rural 413.5.3. Análisis de Comparativo desde el Punto de Vista de la Confiabilidad de los diferentes casosestudiados. 413.5.4. Análisis de Comparativo desde el Punto de Vista Financiero y de Confiabilidad del CircuitoUrbano y el Circuito Rural 42

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4. CONFIABILIDAD DE LA MAQUINA 45

4.1. Introducción 45

4.2. Modelo de Confiabilidad de la Máquina 454.2.1. Descripción del Modelo 454.2.2. Aplicación del Modelo 464.2.3. Análisis Comparativo de los Diferentes Casos Estudiados 514.2.4. Análisis de Sensitividad de los Indicadores FES y DES 52

4.3. Análisis de Confiabilidad en un Modelo de Demanda por Periodos con DespachoEconómico 53

4.3.1. Descripción del Modelo 534.3.2. Aplicación del Modelo 54

4.3.2.1. Combinación de Tecnologías 544.3.2.2. Despacho Económico 554.3.2.3. Análisis de Confiabilidad por Periodo. 55

5. RESULTADOS GENERALES 56

5.1. Conclusiones 56

5.2. Recomendaciones 57

6. BIBLIOGRAFIA 58

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Análisis de la Confiabilidad de un Sistema de

Distribución con Generación Distribuida.

1. GENERACIÓN DISTRIBUIDA

1.1. Antecedentes

1.1.1. ¿Que es la Generación Distribuida (GD)?

La GD consiste en la aplicación de pequeños generadores, con una capacidad de 15 a

10000kW, para alimentar cargas que se encuentran localizadas cerca de los puntos de

consumo.

La generación distribuida ofrece soluciones de valor agregado a clientes, compañías

suministradoras de energía y operadores de redes de distribución, por medio de

sistemas de generación en sitio y conectados a la red, que proporcionan, entre otras,

las siguientes ventajas:

Eliminan pérdidas en las líneas, debido a al cercanía a los centros de consumo.

Suponen una fuente de bajo costo para atender demandas durante periodos de precio

pico.

Mejoran la calidad de la energía eléctrica (Estabilidad en la tensión, suministro de

potencia reactiva y corrección del factor de potencia, etc.).

Son fuentes de alta confiabilidad para sistemas o usuarios sensibles a los que no se

puede interrumpir el suministro de energía.

Son agentes reductores de emisiones atmosféricas (Tecnologías renovables).

Es un respaldo del sistema en caso de emergencia.

Mayor eficiencia mediante el aprovechamiento del calor producido para su utilización

en calefacción, calentamiento del agua o procesos industriales (Cogeneración).

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1.1.2. ¿Porque explorar este campo?

Es una solución que reduce los costos por pérdidas en transmisión, esto ocurre debido

a que los generadores e instalan cerca de los centros de consumo.

Reduce las emisiones atmosféricas. Pues utilizan energías renovables y tecnologías

verdes.

Es una solución para llevar energía a sitios a los cuales es difícil llegar con el SIN, pues

su instalación no es complicada y no necesita de el sistema interconectado

centralizado para poder responder ante la demanda de potencia

Aumenta la confiabilidad de los sistemas, pues se asegura el suministro de energía

siempre, es un respaldo al sistema interconectado que utiliza generación centralizada.

Puede servir como un sistema de soporte en caso de emergencia, pues funciona

independiente del sistema central.

Puede ser económicamente viable debido la cogeneración, de tal forma que se

aprovechen los recursos al máximo y así no desperdiciar las otras formas de energía

que se generan, como la energía calorífica.

1.2. Ventajas y Desventajas de la Generación Distribuida

1.2.1. Ventajas:

• Elimina pérdidas en las líneas.

• Suponen una fuente de bajo costo para atender demandas durante periodos de

precio pico.

• Mejora la calidad de la energía eléctrica.

• Son fuentes de alta confiabilidad para usuarios sensibles a los cuales no se les

puede dejar de suministrar el servicio.

• Se reducen las emisiones atmosféricas.

• Aprovechamiento del calor producido para aumentar la eficiencia.

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1.2.2. Desventajas:

• Es menos conocida y empleada que la actual generación centralizada.

• Los costos de inversión inicial en las distintas tecnologías son bastante altos.

• Se presentan barreras para la incorporación a la red de potencia.

• El costo del transporte del combustible es complicado y poco económico.

• La nuevas tecnologías no son siempre disponibles.

• Las tecnologías son relativamente nuevas y no se han estudiado a fondo.

1.3. Alternativas Energéticas para la Generación Distribuida.

Las tecnologías energéticas para le generación distribuida incluyen turbinas de

combustión de gas y micro turbinas, turbinas de ciclo combinado, pequeñas plantas

hidráulicas, celdas combustibles y métodos de generación renovables, como son las

plantas solares y las granjas de energía eólica.

Alternativas energéticas:

Convencionales:

• Turbinas de Combustión

• Turbinas de Ciclo Combinado

• Combustibles:

• Gas Natural

• Diesel

• Gasolina

• Keroseno

• Gases de Biomasa

No convencionales:

• Celdas combustibles

Generación por fuentes de Energía Renovables:

• Eólica

• Solar

• Pequeñas Hidroeléctricas.

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Se presenta a continuación una comparación entre las tecnologías que se usan en GD.

1.4. Uso Actual de la Generación Distribuida.

La GD se utiliza en estos momentos en el sistema de transmisión al nivel de

distribución pues la sub-transmisión se esta eliminando en muchos países, esto es

como se había mencionado antes debido a la cercanía al centro de consumo con la

que se puede instalar los generadores.

Razones por las cuales se utiliza en Europa:

Existe una gran preocupación por las emisiones atmosféricas, debido a las multas que

se imponen en un corto plazo a los países desarrollados por exceder las toneladas de

gas contaminante permitidas.

Se puede hacer uso de Energías Renovables debido a que estas se encuentran en

gran cantidad en Europa. Por ejemplo la energía eólica en Holanda y Portugal, y las

plantas hidroeléctricas pequeñas a través de todo el continente debido a su

composición hidrográfica principalmente fluvial. (Las Plantas hidroeléctricas pequeñas

se construyen generalmente de paso)

Nuevas alternativas económicas en el sistema de distribución, pues se tiene una nueva

opción que promete entrar al mercado en precios de periodo pico como una opción

más económica.

Razones por las cuales se utiliza en EEUU:

Se busca una Alta Calidad de la Potencia, pues se busca mejorar el suministro al ser

un país puramente industrial. Se desea de la misma forma una alta Confiabilidad, por la

misma razón anterior, se necesita tener un suministro de potencia más confiable.

Tecnología Tamaño Operación Eficiencia Disponibilidad EmisionesMotores Gas o Diesel 500 kW-5MW Combustión interna 30-36% Comercial NOx: 7-9, CO: 0.3-0.8Turbinas de Gas 1-50 MW Combustión interna 60%(Ciclo Comb) Comercial NOx: <9-50ppm, CO:<15-50ppmEólica 500 kW-1.5MW Viento 20-50% Comercial NingunaSolar hasta 500 kW Luz Solar 5-12% Etapas Finales NingunaMicroturbinas 25kW-1MW Combustión interna 20-28% Primeras Etapas NOx: 9-50ppm, CO: 9-50ppmCeldas Combustibles 1kW-20MW Proceso Electrolítico 40-80% Etapa de Demonstración NOx: <0.02, CO: <0.01

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1.5. Calidad de la Potencia en los Sistemas Actuales.

1.5.1. Eventos y Características de la Calidad de la Potencia.

Dentro de la calidad de la potencia se describen ciertos Eventos y ciertas

características que se pueden observar para poder estudiarlas.

Característica

Se define como las pequeñas desviaciones del valor deseado de corriente o voltaje.

Por tanto se pueden tener una característica de voltaje o de corriente.

Dentro de las características están:

• Transientes: Picos de gran magnitud y muy corta duración.

• Interrupciones cortas: El voltaje cae a 0% durante un periodo corto de tiempo

• Sag: Disminución significativa de la magnitud del voltaje.

• Swell: Aumento significativo de la magnitud del voltaje.

• Flicker: Impresión de inestabilidad de sensación visual, el nivel de voltaje oscila a

una frecuencia perceptible por el ojo humano.

Evento

Ocasionalmente se pueden presentar desviaciones significativas de la forma de onda

ideal de voltaje o de corriente, a estas desviaciones de duración limitada se les conoce

como "eventos". La interrupción en el fluido eléctrico es un ejemplo de un evento,

donde el voltaje cae repentinamente a un valor muy por debajo de su valor ideal.

Entre los eventos se encuentran:

• Sobre voltajes: Es el nivel de voltaje que permanece constante a un nivel mayor al

nominal.

• Sub-voltaje: Es el nivel de voltaje que permanece constante a un nivel menor al

nominal.

• Interrupciones Sostenidas: el voltaje cae a cero durante más de un minuto

aproximadamente.

• Desbalance de voltaje: Es cuando el voltaje se puede descomponer en secuencia

positiva, negativa y cero.

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• Voltaje off-set: El voltaje de referencia no es cero.

• Armónicos: Son voltajes senosoidales a frecuencias que son múltiplos enteros de la

frecuencia fundamental.

• Ruido: Distorsión de la onda que no cumple con ningún patrón especifico.

• Fluctuaciones: variación de la frecuencia cuando la frecuencia no es constante en

60 Hz.

1.5.2. La Generación Distribuida en la Calidad de la Potencia de los Sistemas

de Distribución Actuales

Una vez definidos estos conceptos básicos podemos proceder a incluir la Generación

Distribuida en el estudio de la Calidad de la Potencia.

Aunque los conceptos de Calidad de la Potencia son comunes en cualquier sistema de

distribución, el agregar a estos Generadores Distribuidos aumenta la complejidad del

estudio de ingeniería y además tienen un efecto significativo en lo que se refiere a los

eventos que caracterizan a la Calidad de la Potencia.

Existen dos razones para instalar Generadores Distribuidos. El hecho de poder generar

electricidad localmente puede ser mas barato que comprarla de la red, esto se puede

ver mas que todo en los generadores que se utilizan para cogeneración como los de

tipo CHP, en donde la eficiencia es mucho mayor que en las estaciones de generación

convencionales.

La otra razón es que se aumenta la confiabilidad en el suministro de energía y puede

servir además como un respaldo si el suministro es interrumpido.

Pero algunos tipos de generadores distribuidos introducen corrientes no senosoidales

al sistema de distribución y de esta forma degradan el nivel de servicio causando

posiblemente armónicos y variaciones no aceptables en las magnitudes de los voltajes.

Aunque de cierta forma, los generadores que están en el sistema de distribución

pueden mejorar la calidad de la potencia pues aumentan el nivel de corto circuito en

todo el sistema.

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Figura 1-1. Sistema de Distribución con Generación Distribuida.

Dentro de los fenómenos que afecta la Generación Distribuida se encuentran los Sags,

los Armónicos y los Flickers.

Existen diferentes formas de operar sistemas de distribución con Generación

Distribuida, los cuales serán enunciados a continuación y mostraremos como ayudan a

mitigar los efectos de la mala Calidad de la Potencia.

La primera forma de operación de la que hablaremos es cuando los generadores

ubicados localmente operan continuamente, u On Line, este tipo de operación aumenta

el nivel de corto y disminuye la magnitud de los Sags.

Operación On Line

El conectar un generador local a un sistema de distribución hace que se disminuya la

magnitud de los Sags de dos formas diferentes.

El generador aumenta el nivel de falla en el bus de distribución lo cual disminuye los

Sags debidos a las fallas en los alimentadores del sistema de distribución.

Un generador local también disminuye el efecto de los Sags cuando las fallas ocurren

en le resto del sistema, pues cuando esto ocurre el generador mantiene el voltaje en su

bus local, alimentando de esta forma durante la falla.

Un circuito equivalente que muestra este efecto se ve en la siguiente figura.

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Figura 1-2. Circuito equivalente para un sistema con generación local

En donde Zg es la impedancia del generador durante la falla; Zs es la impedancia de la

fuente del transformador de alimentación; Zf es la impedancia entre la falla y el bus de

alimentación del transformador y Z es la impedancia entre el bus del generador y el bus

del transformador.

Se puede ver que al agregar un generador cerca de a la carga, una nueva corriente de

falla es introducida. Sin el generador el voltaje en las terminales del equipo es igual al

voltaje del nodo del transformador, cuando un generador esta presente el voltaje en las

terminales durante el sag es igual al voltaje en el bus del generador. Este voltaje se

relaciona con el voltaje en el nodo del transformador de acuerdo a la siguiente

ecuación.

)1()1( btg

g

sag VZZ

ZV −

+=−

Ecuación 1-1

La caída de voltaje en el generador es Zg / Z+Zg veces la caída del voltaje en el nodo

del transformador. La caída del voltaje es menor si la impedancia del nodo del

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transformador es grande y la impedancia del generador es pequeña. La contribución

del resto del sistema en la falla del generador distribuido depende básicamente de la

impedancia del transformador de alimentación. Es decir que si el generador entrega el

50% de la corriente de falla un Sag del 40% en el nodo del generador se reduciría a

uno del 70% en las terminales del equipo. Se puede ver además que el voltaje mínimo

esta dado por la siguiente ecuación:

gZZ

ZV

+=min

Ecuación 1-2

Operación Aislada

Otra posibilidad de operación en un sistema con Generación Distribuida es la

operación aislada del generador, en la cual el generador opera en paralelo con el

sistema de alimentación, pero cuando este falla el generador se aísla y atiende la

carga propia del bus que ocupa, esto generalmente ocurre con las cargas industriales.

Este tipo de operación se muestra en la siguiente figura

Figura 1-3. Sistema con Operación Aislada

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El sistema aislado también sirve como respaldo del sistema de alimentación y le

permite cubrir las cargas esenciales del sistema en el caso que se necesite.

Operación de Respaldo

Otra posible forma de operar el sistema es como Generación en Espera o Standby, en

este tipo de operación el generador es encendido cuando una interrupción es

detectada. Entra en operación entre un segundo y un minuto después de empezar la

interrupción. Entonces cuando un generador es instalado en este tipo de operación,

para mejorar el voltaje, se debe tener claro que los equipos deben poder soportar

pequeñas interrupciones debidas a la entrada en operación de estos generadores. Por

esta razón, este tipo de operación generalmente opera al tiempo que un sistema de

almacenamiento de energía como una UPS para que esta pueda suplir de energía a

los elementos, mientras el generador entra a suplir la deficiencia del suministro público.

Estas dos últimas formas de operación son utilizadas para mitigar el efecto que sobre

la confiabilidad tienen las interrupciones.

El incluir generadores distribuidos también afecta otras dos características dentro de la

Calidad de la Potencia, como son, los Flickers y los Armónicos.

Flickers en el Voltaje y Generación Distribuida.

Un flicker puede ser causado tanto por generadores como por cargas, pero este tipo de

fenómeno es importante dentro del estudio de la Generación Distribuida pues un

generador representa una carga superior a las cargas normales pues es de tipo

rodante, y puede empezar o detenerse frecuentemente y puede ser sujeto de

inyecciones de potencia con muchas fluctuaciones por culpa de una fuente de energía

fluctuante

Determinar el voltaje del Flicker causado por la variación en la potencia real debido a

las fluctuaciones de las fuentes de energía renovable es difícil y depende de los

recursos, las características del generador y la impedancia de la red de conexión.

Medir simplemente el voltaje a la salida no es nada satisfactorio pues los niveles del

Flicker se ven seriamente afectados por el ambiente, y además la relación X/R de la

impedancia de la fuente va a causar un gran impacto en el nivel de voltaje a la salida.

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Los Armónicos y la Generación Distribuida

La generación distribuida puede influenciar el desarrollo armónico de las redes de

distribución de muchas maneras diferentes. Los elementos de la electrónica de

potencia utilizados en la interfase de los equipos de generación pueden causar flujos

de corriente de armónicos y las plantas de rotor pueden afectar considerablemente la

impedancia armónica de la red y de esta forma afectar la respuesta a las otras fuentes

de armónicos presentes en el sistema.

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2. METODOLOGÍA DE ESTUDIO

2.1. Introducción.

Para estudiar el tema de la Generación Distribuida y su factibilidad en Colombia se

debe hacer un estudio completo, incluyendo la factibilidad Técnica y Financiera de la

Generación Distribuida, esto incluye necesariamente el estudio de la Confiabilidad.

Para realizar el estudio de la Confiabilidad de la Generación Distribuida se realizo un

Modelo Predictivo, basado en simulaciones de Montecarlo, de tal forma que se

pudieran obtener resultados precisos para poder obtener conclusiones claras. Se

estudiaron diferentes casos que buscan exponer de la mejor firma todas las

posibilidades que existen para la Generación Distribuida.

2.2. Técnicas de Evaluación

Se presentan a continuación las definiciones y consideraciones necesarias para

entender de la mejor forma posible los capítulos subsiguientes.

2.2.1. Definición de los Índices de Confiabilidad

Los criterios probabilísticas y los índices utilizados normalmente en un sistema de

distribución convencional son los siguientes:

• System Average Interruption Frequency Index (SAIFI).

Es relativo al término de seguridad, el cual se refiere al número de interrupciones por

cada cien usuarios conectados por año.

• System Average Interruption Duration Index (SAIDI).

Es equivalente al término de disponibilidad, que se refiere al número de minutos

perdidos por cada consumidor conectado, al año.

• Frecuencia Esperada de las Salidas (FES)

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Es equivalente al valor esperado del número de interrupciones vistas por cada

consumidor conectado. Es un término equivalente al Customer Average Interruption

Frequency Index (CAIFI).

• Duración Esperada de las Salidas (DES)

Es el valor esperado del tiempo que dura interrupción vista por un usuario conectado.

Es un término equivalente al Customer Average Interruption Duration Index (CAIDI).

• Expected Energy Not Supplied (EENS) también conocido como EUE.

En español Energía no Suministrada (ENS) es el valor esperado de energía dejada de

suministrar en un año a los usuarios finales.

2.2.2. Modelo Predictivo

Todo modelo predictivo debe basarse en datos obtenidos históricamente, para poder

sustentarlo con bases que permitan una manipulación lógica del modelo, entonces

debemos fijar nuestra atención un momento en estos supuestos que hacen que

podemos inferir un modelo predictivo válido y aceptable.

El método usual para calcular la confiabilidad de un sistema es partir de una

aproximación analítica la cual se basa en una asignación de modos de falla y el uso de

ecuaciones para redes en serie o en paralelo. Un acercamiento por medio de la

simulación es usado algunas veces para saber cual es la distribución de probabilidad

de los Índices mencionados anteriormente. El procedimiento para evaluar la

confiabilidad es calcular los índices en cada punto de carga individual identificando

todas las posibles fallas.

Los sistemas de distribución tienen una configuración radial, es decir que todos sus

elementos están en paralelo y por esta razón son más fáciles de analizar.

Como estos sistemas están en serie, se utilizan las ecuaciones que se describen a

continuación.

Se definen inicialmente los siguientes parámetros:

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• �: Tasa de Falla del Elemento.

• r: Duración Promedio por Salida.

• U: No disponibilidad anual en puntos de carga individual.

Con estos parámetros tenemos los siguientes resultados para sistemas en serie:

SS

SSS

iiS

iS

ULE

Ur

rU

.

/

==

=

=

∑∑

λ

λ

λλ

En donde �S, US, rS son los parámetros del sistema total, y L es la carga promedio del

punto de carga. En este tipo de sistemas solo es importante conocer como puede fallar

cada uno de los puntos de carga y los datos importantes de los puntos relevantes que

llevan el estudio de confiabilidad.

2.2.3. Evaluación de la confiabilidad básica.

Es bueno definir el tipo de salidas que se presentan en un sistema para no confundir

los términos durante la evaluación de la confiabilidad del sistema.

• Salidas permanentes: Están asociadas con daños en componentes que hacen que

estos sean reemplazados o reparados.

• Salidas temporales: se relacionan con fallas en las cuales se puede se puede

restablecer la conectividad por medio de un switch o reemplazando algún fusible.

• Salidas transientes: Se relaciones con las salidas que se restablecen

automáticamente.

• Salidas programadas de mantenimiento: son salidas que se planean para hacer

mantenimiento preventivo.

2.2.4. Aplicación del Modelo

Sistemas de Distribución sin Generación Distribuida.

La forma de ver un sistema de distribución tradicional es la siguiente:

Generalmente tiene una interfase con el sistema de transmisión a través del cual se

ven todos los efectos de los puntos de generación global en un solo punto de

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interconexión. Esto hace que el estudio que el estudio de la confiabilidad en sistemas

de distribución siga plenamente al estudio de la confiabilidad al nivel de la generación

global. Este criterio no es aplicable en sistemas con generación distribuida debido a

que estos generadores están metidos en medio del sistema de distribución.

Por lo general el sistema de distribución es el causante del 90% de las salidas que ve

un usuario final. Es decir que el sistema de distribución es el que aporta en mayor

medida a los índices de confiabilidad del sistema.

En principio la inclusión de generadores en el sistema de distribución podría remediar

el número y la duración de las salidas del sistema, esto es en parte cierto, pero la

verdad es que depende del sistema al cual se este conectando, porque la confiabilidad

esta plenamente ligada a los criterios de operación y a la tecnología que se este

utilizando.

2.3. Análisis Técnico del Sistema Evaluado

Lo que se busca en esta sección es explicar de la mejor forma posible el circuito de

estudio y realizar las simulaciones del flujo de carga necesarias para lograr realizar un

análisis técnico y financiero del Problema de la Factibilidad de la Generación

Distribuida en Colombia

2.3.1. Descripción del Sistema.

Para estudiar la Generación Distribuida en un circuito más cercano a la realidad, se

diseño el siguiente esquema para poder desarrollar sobre este todos los modelos y los

análisis respectivos acerca del impacto de la Generación Distribuida.

El circuito escogido fue el siguiente:

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Figura 2-1 Circuito Piloto

La configuración del circuito es general, las características propias de un circuito rural o

uno urbano se pueden acomodar a este circuito de tal forma que con la misma

configuración se obtengan los dos circuitos piloto.

Los datos característicos de los sistemas se encuentran a continuación:

Tabla 2-1 Descripción del Sistema Piloto

UbicaciónAlimentador Primario Secundario Primario SecundarioNivel de Voltaje 13.2 kV 13.2 kV 13.2 kV 13.2 kVCarga por Punto 460 kW 80kWNúmero de Usuarios 147 58Longitud del Segmento 0.67 km 8 km 1.33 km 3.5 kmNúmero de Nodos 7 24 7 24Tipo de Condutor 4/0 2/0 2/0 1/0Tipo de Estructura Primario Sencillo Primario Sencillo Primario Sencillo Primario Sencillo

Urbano Rural

Teniendo en cuenta estas características se pueden realizar las simulaciones

necesarias para obtener el comportamiento de estos.

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2.3.2. Descripción de los casos de estudio.

Para poder estudiar de la mejor forma el tema de la Generación Distribuida es

importante definir ciertos escenarios y casos dentro de los escenarios para centralizar

el estudio y poder de esta forma obtener un estudio más concreto sobre el tema en

cuestión.

Se definen los diferentes casos según la ubicación, el número y la capacidad de los

generadores.

• Un generador en la subestación. Capacidad de 3500 MW.

• Un generador en el punto más lejano de la subestación. Capacidades de 460

kW, 920kW, 2300 kW y 3220 kW; para atender diferentes cargas distribuidas en

el sistema. Son los Casos 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 respectivamente para cada una de

las capacidades.

• Dos generadores ubicados en dos puntos estratégicos del sistema, en el Nodo

P y el Nodo Q (Ver Figura 2.1). Capacidades de 460 Kw., 920kW, 2300 Kw. y

3220 Kw.; para cada uno de los dos generadores. Son los Casos 3.1, 3.2, 3.3,

3.4 respectivamente para cada una de las capacidades.

A medida que la capacidad aumenta o la posición cambia el punto de vista del

inversionista puede ir cambiando, ya sea porque cambia el inversionista en si, o porque

cambia la forma de ver el problema. Por ejemplo cuando las capacidades son

pequeñas, se puede decir que el generador pertenece a la industria o las industrias en

las cuales se encuentra instalado el generador. Cuando el generador se encuentra en

la subestación de la cual se deriva el circuito, este pertenece a la empresa

comercializadora que busca mejorar la calidad del servicio y de esta forma reducir las

perdidas debidas al FES, al DES y al EUE. Pero no es la única forma de inversión de la

Empresa Comercializadora de Energía Eléctrica, pues ubicar en diferentes puntos del

sistema generadores con una capacidad relativamente alta puede hacer la inversión

factible desde el punto de vista financiero. Estos casos enmarcan en forma clara las

diferentes posibilidades que se tienen para implementar la generación distribuida y son

estudiados bajo los modelos desarrollados que se explican en la siguiente sección.

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21

3. ESTUDIO DE LA CONFIABILIDAD DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS

3.1. Introducción

La finalidad de este capítulo es introducir el concepto de confiabilidad en sistemas de

distribución que tienen generación distribuida. En principio se puede pensar que la

teoría de la confiabilidad tradicional es aplicable para este tipo de sistemas de igual

forma que para cualquier otro sistema radial, aunque se demostrara al finalizar este

capitulo que esto puede ser una aproximación errónea, es cierto que el desarrollo del

estudio de sistemas de distribución con Generación Distribuida se basa plenamente en

los resultados de la teoría tradicional de la confiabilidad.

La confiabilidad ha sido y será siempre un aspecto importante de cualquier sistema, de

este estudio depende el planeamiento, el diseño y la operación de un sistema. La

confiabilidad es una característica y una medida específica que describe la habilidad de

un sistema de desempeñar la función para la cual fue diseñado en forma satisfactoria.

En un sistema de potencia, la función para cual se diseña el sistema, es transmitir

energía eléctrica en forme no interrumpida hasta los usuarios finales.

En los sistemas descentralizados actuales, es importante saber para que parte del

sistema se esta desarrollando el estudio, es decir que el estudio de la confiabilidad es

diferente para un propietario de generación, de red, un operador o los usuarios finales.

Esto ocurre por diferentes razones, como son que el dueño de la generación distribuida

no tiene porque ser el dueño de la red de distribución. La red de transmisión y los

generadores tradicionales se ven afectados por la inclusión de generadores en el

sistema de distribución si la capacidad instalada se incrementa considerablemente.

Otra razón es que los flujos pueden cambiar debido a la generación distribuida, esto

hace que el generador convencional tenga que vender menos energía y de esta forma

tenga que operar en un punto que no es optimo pues igual tiene que seguir

suministrando la energía que no alcanza a cubrir el generador distribuido, y además

estar disponible para cualquier falla en el sistema de Generación Distribuida.

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22

Para mostrar este comportamiento, en este capitulo se estudiarán los aspectos

convencionales de la confiabilidad en sistemas de distribución como una primera

introducción, posteriormente se analizará el proceso para evaluar la confiabilidad en

sistemas de distribución con generación distribuida y finalmente se ampliaran estos

conceptos con algunos ejemplos ilustrativos

3.2. Análisis de los Circuitos desde el Punto de Vista de la Confiabilidad

El sistema consta de 3 secciones que dividen al alimentador principal. Se observan las

siguientes configuraciones desde el punto de vista de la confiabilidad.

Sección1

Sección 2

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Sección 3

Para cada uno de los casos de Generación Distribuida se agrega un generador en el

ramal indicado con un fusible o un interruptor.

Teniendo en cuenta estos grafos se obtienen las ecuaciones necesarias para calcular

el FES, DES y EUE de cada uno de los eventos de falla

Función de Falla de la sección 1.

Falla 1

No Falla 0

Falla Salida de Línea Carga No Atendida

Sección 1 1,2 ó 2,3 A, K, L, M, N, O, R, S, T

Fusible 1 2,8 ó 8,9 ó 9,13 A, K, L, M, N, O

Fusible 2 3,24 ó 24,25 R, S, T

Fusible 7 9,10 ó 10,11 ó 11,12 K, L, M

( )( ) ( ) ( )( )

( )( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )

++⋅++

++⋅++++++++⋅++++

+++++++++=

++++++++++++

++++++++=

TSRLL

NMLLLLONMLKALLLLL

TSRONMLKALL

TSRFusibleNMLFusibleONMLKAFusibleSección

TSRONMLKASección

FalladeFunción

25,2424,3

13,99,88,213,99,88,23,22,1

3,22,1

2111

1

'

IEL1-2002-II-13

24


Falla 1

No Falla 0


Sección 2 4,5 ó 5,6 ó 3,4 B, C, F, H, I, P, U, V, W, X

Fusible 3 4,14 ó 14,15 B, F, H, I, P

Fusible 8 15,16 ó 16,17 F, H, I

Fusible 4 5,21 ó 21,22 ó 22,23 U, V, W, X

Fusible 5 6,C C

( )( ) ( )( ) ( )

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( )

+++++++⋅+++++⋅++++++⋅+

⋅+++

+++++++++⋅++=

++++++++++++++++

+++++++++=

XWVULXWVULLL

IHFLLPIHFBLLLLL

LLL

XWVUFusibleXWVUFusible

IHFFusiblePIHFBFusibleSección

Sección

FalladeFunción

C,623,2222,2121,5

14,415,1414,415,144,36,55,4

4,36,55,4 X WV UP I HF C B

54

332

X WV UP I HF C B2

'


Falla 1

No Falla 0


Sección 3 6,7 ó 7,E D, E, G, J, Q

Fusible 6 7,18 ó 18,19 ó 19,20 D, G, J, Q

( ) ( )( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )QJGDLLLLLLL

QJGDFusibleSecciónSección

FalladeFunción

EE +++⋅++⋅++++++⋅+=

++++++++=

20,1919,1818,7,718,7,718,7 Q J G E D

63Q J G E D3

'

Ahora Dependiendo del caso y del escenario al cual se refiere, la carga no atendida

puede variar.

IEL1-2002-II-13

25

En el caso1: Si sección 1 falla, toda la carga deja de ser atendida.

En el caso 2: Si sección 1 falla, Las secciones 2 y 3 pueden ser atendidas por la

generación distribuida dependiendo del escenario, aunque si fallan las secciones 1 y 3

se deja de atender toda la carga.

En el caso 3: Cada sección tiene un generador que puede llegar a suplir toda la carga

dependiendo del escenario y de las políticas de protecciones.

3.3. Descripción del Modelamiento por Simulaciones de Montecarlo.

El modelo fue desarrollado en Excel, teniendo en cuenta las facilidades que presenta

para el modelamiento por simulaciones de Montecarlo.

Se modelo consta de los siguientes formatos:

Hoja 1: Circuito de Estudio. Se encuentra la imagen del circuito que se va a estudiar.

La finalidad de esta hoja es permitir que el usuario del modelo tenga siempre presente

el circuito y los nombres a los que se refieren las demás hojas de cálculo.

Hoja 2: Casos de Estudio. En esta hoja se presentan los casos de estudio que se

trataron durante el desarrollo de la tesis, y se dejan como memoria de cálculo para las

futuras aplicaciones.

Hoja 3: Definiciones. Se dan algunas definiciones útiles para que el usuario del modelo

pueda entender claramente lo que se le esta pidiendo en la Hoja 4: Formulario.

Hoja 4: Formulario. Esta hoja recibe los datos de entrada del sistema en estudio, se

tiene que tener claro que las variaciones se pueden hacer sobre las características del

sistema, mas no sobre la topología del circuito, pues las ecuaciones ligadas están

diseñadas para esta y solo esta configuración.

Hoja 5: Modelo 1 Urbano. En esta hoja se encuentra el desarrollo para el cálculo de los

indicadores en el circuito Urbano, es decir con las características típicas de un sistema

de distribución típico del área urbana.

IEL1-2002-II-13

26

Hoja 6: Modelo 1 Rural. En esta hoja se encuentra el desarrollo para el cálculo de los

indicadores en el circuito Rural, es decir con las características típicas de un sistema

de distribución típico del área rural.

Hoja 7: Resultados Generales: Presenta los resultados generales de los indicadores

para cada uno de los casos estudiados, de tal forma que se pueda hacer un análisis

comparativo fácilmente, al tener todos los resultados en una sola pantalla.

Hoja 8: Resultados Especiales. Se presentan en esta hoja, los casos que se

consideren relevantes para un mejor estudio y análisis del problema de la Generación

Distribuida.

Hoja 9: Comportamiento Urbano. En esta hoja se presenta el comportamiento de los

elementos del sistema y de cada una de las secciones del sistema en el caso Urbano,

entendiéndose sección, como cada uno de los ramales principales y secundarios.

Hoja 10: Comportamiento Rural. En esta hoja se presenta el comportamiento de los

elementos del sistema y de cada una de las secciones del sistema en el caso Rural,

entendiéndose sección, como cada uno de los ramales principales y secundarios.

De esta forma se hicieron las simulaciones de Montecarlo para estudiar la confiabilidad

de los sistemas. Con los resultados se calcula los FES y las DES para cada uno de los

puntos de carga, también se obtiene el EUE o el ENS.

3.3.1. Distribución de Probabilidad de las Secciones del Circuito.

La intención de este capítulo es mostrar el comportamiento de las secciones del

circuito, es decir mostrar cual es la distribución de probabilidad que sigue cada uno de

los segmentos representativos del sistema. Se encuentran a continuación cada una de

las distribuciones de los ramales principales y secundarios, teniendo en cuenta el

circuito enunciado desde el punto de vista de la confiabilidad.

IEL1-2002-II-13

27

Para esta simulación se asumió que las fallas ocurrían siguiendo una distribución tipo

exponencial1 en cada uno de los ramales del circuito.

El sistema consta de tres secciones y de ocho ramales secundarios, la descripción de

cada uno de ellos se encuentra a continuación:

Ramales Secundarios

Ramal detrás del Fusible 1

W e i b u l l d i s t r i b u t i o n w i t h p a r a m e t e r s :

L o c a t i o n 0 , 0 1

S c a l e 0 , 4 2

S h a p e 1 , 5 6 8 5 2 6 5 7 7

S e l e c t e d r a n g e i s f r o m 0 , 0 1 t o + I n f i n i t y 0,01 0,34 0,67 1,00 1,33

AA4



L o c a t i o n 0 , 0 1

S c a l e 0 , 4 5

S h a p e 1 , 4 9 4 4 3 5 0 0 1


AB4


G a m m a d i s t r i b u t i o n w i t h p a r a m e t e r s :

L o c a t i o n 0 , 0 0

S c a l e 0 , 1 6

S h a p e 1 , 9 1 2 4 4 9 7 4 1


AC4



L o c a t i o n 0 , 0 2

S c a l e 0 , 1 6

S h a p e 2 , 3 8 6 3 9 5 8 6 3


AD4

1 Tomado de “Modelo de Cálculo de Confiabilidad Utilizando Simulaciones de Montecarlo en el Sistemade Distribución en la Ciudad de Pasto” Alberto Enríquez Paredes, Rodrigo Ortiz Garcés. Universidad delos Andes 2002.

IEL1-2002-II-13

28


E x p o n e n t i a l d i s t r i b u t i o n w i t h p a r a m e t e r s :

R a t e 5 , 0 9

S e l e c t e d r a n g e i s f r o m 0 , 0 0 t o + I n f i n i t y

0,00 0,23 0,45 0,68 0,90

AE4



L o c a t i o n 0 , 0 0

S c a l e 0 , 1 4

S h a p e 2 , 6 9 9 3 0 6 3 9 5


AF4



L o c a t i o n 0 , 0 2

S c a l e 0 , 1 6

S h a p e 2 , 1 9 6 8 6 2 5 8 7


AG4



L o c a t i o n 0 , 0 0

S c a l e 0 , 3 3

S h a p e 1 , 4 7 1 4 1 7 9 6 8


AH4

IEL1-2002-II-13

29

Secciones del Circuito

Sección 1


L o c a t i o n 0 , 0 0

S c a l e 0 , 0 8

S h a p e 1 , 6 8 6 3 0 1 2 2 2


AI4

Sección 2


L o c a t i o n 0 , 0 1

S c a l e 0 , 0 6

S h a p e 2 , 3 2 7 3 3 8 6 9 6


AJ4

Sección 3


L o c a t i o n 0 , 0 0

S c a l e 0 , 1 4

S h a p e 1 , 4 1 2 7 7 6 5 1 1


AK4

Se puede ver en las anteriores graficas que el tiempo de falla de todas las líneas se

distribuye exponencialmente, como se debe cumplir para estos elementos. Se ve

además que tanto los fusibles como las secciones se distribuyen o Weibull o Gamma,

dos distribuciones de tiempo de falla típicas en los elementos de potencia y lo cual

permite una mejor aproximación al cálculo probabilistico del sistema.

IEL1-2002-II-13

30

3.3.2. Calculo de Indicadores.

Una vez se termina de definir el modelo de confiabilidad se procede a establecer una

primera filosofía de protecciones y un tipo de operación del sistema para poder

continuar con el cálculo de los indicadores de confiabilidad en el sistema.

Se calcularan los siguientes indicadores.

FES: Mide la confiabilidad como el número de interrupciones en un periodo de tiempo.

FESi = SUMA (Fallas i) / 1000. Debido a que se realizaron 1000 simulaciones para cada

evento.

FES = Σ FESi / Número de puntos de Carga

DES: Tiempo en el cual el servicio es interrumpido en un circuito. Duración total de las

fallas.

DES = FES * Tiempo esperado de la duración de la falla

ENS: Energía no suministrada en un periodo de tiempo. Se representa como la carga

dejada de atender y se calcula:

ENS = (Carga No atendida / Demanda)*(Total de Demanda (MWh))

Se debe tener en cuenta la siguiente nomenclatura para el entendimiento de estas

ecuaciones.

Si se tiene seccion1, se entiende que la sección 1 falló y que dejo de atender toda su

carga.

Si se tiene seccion1’, se entiende que no hubo falla en la sección 1 y por ende la carga

dejada de atender depende de las fallas en un nivel más bajo del sistema, desde el

punto de vista de confiabilidad.

IEL1-2002-II-13

31

3.4. Aplicación del Modelo a los Circuitos Bajo de Estudio

Teniendo en cuenta la descripción analítica hecha anteriormente se puede entrar ahora

a estudiar los resultados de los diferentes casos.

Caso 1: El generador en la Subestación

Para el primer caso, el hecho de agregar un generador distribuido en el mismo punto

en el cual se encuentra la subestación no aporta desde el punto de vista de al

Confiabilidad del sistema, si no se tiene en cuenta la Confiabilidad de la maquina, es

decir que para efectos prácticos estudiar este primer caso es lo mismo que estudiar el

sistema sin Generación Distribuida.

Se tiene entonces que para este primer caso, cada vez que se presente una falla en

alguno de los tramos del circuito, sin importar cual sea, se debe contar una falla, es

decir que el calculo del FES es la suma de las fallas del sistema.

El DES es simplemente la multiplicación del numero de fallas por el tiempo esperado

por salida de cada falla.

La ecuación para el cálculo del ENS para el Caso1 es la siguiente:

Dada una falla, sin importar el lugar de esta, siempre hay un porcentaje de carga que

deja de ser atendida.

( )

( )( )

+++++

++++

+=

)6(3

354

833

2

)32.(22711

11

FusSec

SecFusFus

FusFusFus

Sección

ySecCarSecciónFusFusFusFus

SecCarTotalSecENS

Ecuación 3-1 ENS para el Caso 1

Los resultados para este primer caso y comparando con los resultados del sistema Sin

Generación Distribuida se presentan a continuación:

IEL1-2002-II-13

32

Tabla 3-1Resultados para el Caso 1

FES DES EUECostos por Carga Dejada de Atender

15396481.24%3706562.98%

254,041,920.00$

61,158,240.00$

40 61.6

103 115.875

Urbano

Rural

Caso 1

Caso 2.1: El generador en el Extremo más Lejano a la Subestación. Atendiendo solo elNodo en el cual se Encuentra

En este caso se tiene una posible implementación de la Generación Distribuida como

una auto generación, en la cual la capacidad del generador solo puede cubrir la

demanda propia del punto de carga (léase Industria o Planta) en el cual se encuentra.

Se tiene entonces que igual que para el primer caso, cada vez que se presente una

falla en alguno de los tramos del circuito, sin importar cual sea, se debe contar una

falla, es decir que el cálculo del FES es la suma de las fallas del sistema.


por salida de cada falla. Pero teniendo en cuenta que para el nodo en el cual se

encuentra el generador (Punto E) el tiempo esperado de falla es menor debido a que el

generador esta listo para entrar o solo debe salir por un momento siempre y cuando la

falla no ocurra en este, peor esto lo estudiaremos en un siguiente capítulo.

La ecuación para el cálculo del ENS para el Caso2.1 es la siguiente:

( )( )( )

( )

+−++++

+−+++

+−=

)6(3

)3(354

833

2

)32.(2

2711

11

FusSec

NodoECarSecFusFus

FusFusFus

Sección

NodoEySecCarSección

FusFusFusFus

SecNodoECarTotalSecENS

Ecuación 3-2 ENS para el Caso 2.1

Los resultados para este caso se presentan a continuación:

IEL1-2002-II-13

33

Tabla 3-2 Resultados para el Caso 2.1


14826241.19%

356659.22.87%

244,632,960.00$

58,848,768.00$

40 61.6

103 115.875

Caso 2.1 Urbano

Rural

Caso 2.2: El generador en el Extremo más Lejano a la Subestación. Atendiendo lademanda del punto en el cual se encuentra y de otro punto de carga cercano

Para el estudio de este caso, se tomo al punto de carga D como candidato para ser

atendido por el generador ubicado en el punto de carga E, asumiendo que el generador

tiene la capacidad suficiente para cubrir la demanda de los dos nodos.



falla, es decir que el cálculo del FES es la suma de las fallas del sistema.


por salida de cada falla. Pero teniendo en cuenta que para el nodo en el cual se

encuentra el generador (Punto E) y para el nodo atendido por E, es decir D, el tiempo

esperado de falla es menor.


( )( )( )

( )

+−++++

+−−+++

+−−=

)6(3

)3(354

833

2

)32.(2

2711

11

FusSec

NodoECarSecFusFus

FusFusFus

Sección

NodoDNodoEySecCarSección

FusFusFusFus

SecNodoDNodoECarTotalSecENS



IEL1-2002-II-13

34



14359681.15%

346809.62.79%

236,934,720.00$

57,223,584.00$

40 61.6

103 115.875

Caso 2.2 Urbano

Rural

Caso 2.3: El generador en el Extremo más Lejano a la Subestación. Atendiendo lademanda de toda la sección 3 del circuito.

Suponiendo que el generador tenga la capacidad suficiente para atender toda la

sección los resultados que se obtienen son muy favorables, pero en este caso la

restricción es económica y se debe tener en cuenta el costo del generador que se va a

utilizar.



falla, es decir que el calculo del FES es la suma de las fallas del sistema.


por salida de cada falla. Pero teniendo en cuenta que para todos los nodos de la

sección tres el tiempo esperado de falla es menor.


( )

( )( ) ( )( )

+−++++

++++

+−=

)6(3

)3(354

833

2

2.22711

131

FusSec

NodoECarSecFusFus

FusFusFus

Sección

SecCarSecciónFusFusFusFus

SecSecCarTotalSecENS

Ecuación 3-4 Ecuación para el Caso 2.3




12960001.04%

317260.82.55%

52,348,032.00$

213,840,000.00$ 40 61.6

103 115.875

Caso 2.3 Urbano

Rural

Caso 2.4: El generador en el Extremo más Lejano a la Subestación. Línea de suplenciaatendiendo los nodos X y V pertenecientes a la sección 2 del circuito

IEL1-2002-II-13

35

Suponiendo que el generador tenga la capacidad suficiente para atender toda la

sección los resultados que se obtienen son muy favorables, pero en este caso la

restricción es económica y se debe tener en cuenta el costo del generador que se va a

utilizar. Atendiendo la demanda de toda la sección 3 del circuito y por medio de una

Línea de suplencia se pueden atender los nodos X y V pertenecientes a la sección 2

del circuito.



falla, es decir que el calculo del FES es la suma de las fallas del sistema.


por salida de cada falla. Pero teniendo en cuenta que para todos los nodos de la

sección tres el tiempo esperado de falla es menor, al igual que para el par de nodos

atendidos a través de la línea de suplencia.


( )( )( )

( )( )

+−++++

+−−+++

+−−−=

)6(3

)3(354

833

2

2.2

2711

131

FusSec

NodoECarSecFusFus

FusFusFus

Sección

NodoVNodoXSecCarSección

FusFusFusFus

SecNodoVNodoXSecCarTotalSecENS



Tabla 3-5 Resultados Caso 2.4


12026880.97%

297561.62.39%

198,443,520.00$

49,097,664.00$ 103 115.875

40 61.6Caso 2.4 Urbano

Rural

Caso 3.1: Dos generadores; uno en el punto más lejano y otro en el de mayor carga.Solo atienden la carga del punto en el cual están instalados.

Se instalan generadores en el punto P y Q, y atienden su propia carga.

IEL1-2002-II-13

36

El FES del sistema se entiende como en el primer caso, debido a que los generadores

deben parar cada vez que se presenta alguna falla, el FES es igual al FES del sistema

del primer caso.


por salida de cada falla. Pero teniendo en cuenta que para el punto P y el punto Q, el

tiempo esperado de falla es menor.

La ecuación para el cálculo del ENS para el Caso 3.1 es la siguiente:

( )( )( )

( )( )

( )

−

+−++++−

+−+−+++

+−−=

)66(3

)3(354

83)3(3

2

32.2

2711

11

NodoQCarFusFusSec

NodoQCarSecFusFus

FusFusNodoPCarFusFus

Sección

NodoQCarNodoPSecCarSección

FusFusFusFus

SecNodoQNodoPCarTotalSecENS





13944961.12%

334886.42.69%

55,256,256.00$

230,091,840.00$ 40 61.6

103 115.875

Caso 3.1

Rural

Urbano

Caso 3.2: Dos generadores; uno en el punto más lejano y otro en el de mayor carga.Atendiendo además puntos cercanos a los generadores.

Se instalan generadores en el punto P y Q, y atienden su propia carga y la de los

puntos más cercanos. Es decir que el generador en P atiende al punto H y el

generador en Q atiende al punto J



del primer caso.

IEL1-2002-II-13

37


por salida de cada falla. Pero teniendo en cuenta que para el punto P y H; y el punto Q

y J, el tiempo esperado de falla es menor.


( )( )( )

( )( )

( )

−

+−++++−

+−+−+++

+−=

)66(3

),3(354

83)3(3

2

,3,2.2

2711

1,,,1

NodoQCarFusFusSec

JNodoQCarSecFusFus


Sección

JNodoQCarHNodoPSecCarSección

FusFusFusFus

SecJHQNodosPCarTotalSecENS





12908161.04%

3110402.50%

212,984,640.00$

51,321,600.00$ 115.875103

40 61.6Caso 3.2 Urbano

Rural

Caso 3.3: Dos generadores; uno en el punto más lejano y otro en el de mayor carga.Se atiende además la carga de la Sección 3 y del Fusible 3.

Se instalan generadores en el punto P y Q. El generador en P atiende al ramal al cual

pertenece y el generador en Q atiende la Sección 3.



del primer caso.


por salida de cada falla. Pero teniendo en cuenta que los puntos atendidos por los

generadores tienen un tiempo esperado de falla es menor.

IEL1-2002-II-13

38


( )

( )( ) ( )( )

( )

−

+−++++−

+−+++

+−−=

)66(3

)63(354

83)3(3

2

22.22711

1331

NodoQCarFusFusSec

FusCarSecFusFus


Sección

FusSecCarSecciónFusFusFusFus

SecFusSecCarTotalSecENS



Tabla 3-8Resultados para el Caso 3.3


9797760.79%

239500.81.93%

39,517,632.00$

161,663,040.00$ Caso 3.3 Urbano 40 61.6

Rural 103 115.875

Caso 3.4: Dos generadores; uno en el punto más lejano y otro en el de mayor carga.Línea de suplencia atendiendo los nodos X y V pertenecientes a la sección 2 delcircuito

Se instalan generadores en el punto P y Q. El generador en P atiende al ramal al cual

pertenece y el generador en Q atiende la Sección 3.



del primer caso.


por salida de cada falla. Pero teniendo en cuenta que los puntos atendidos por los

generadores tienen un tiempo esperado de falla es menor.

IEL1-2002-II-13

39


( )

( )( ) ( )( )

( )

−

+−++++−

+−+++

+−−=

)66(3

)63(354

83)3(3

2

32.22711

1331

NodoQCarFusFusSec

FusCarSecFusFus


Sección

FusSecCarSecciónFusFusFusFus

SecFusSecCarTotalSecENS

Ecuación 3-9ENS para el Caso 3.4


Tabla 3-9 Resultados par el Caso 3.4


8 8 6 4 6 4

0 . 7 1 %

2 1 9 8 0 1 . 6

1 . 7 7 %

1 4 6 , 2 6 6 , 5 6 0 . 0 0$

3 6 , 2 6 7 , 2 6 4 . 0 0$

Caso 3.4 Urbano 4 0 61.6

Rural 1 0 3 1 1 5 . 8 7 5

3.5. Análisis Comparativo de los Indicadores de los Circuitos con

Generación Distribuida y sin Generación Distribuida

La confiabilidad de un sistema de distribución se mide a partir de sus indicadores FES

y DES, por lo tanto si se quiere medir el impacto de las diferentes alternativas de

Generación Distribuida y compararlas con el sistema de distribución sin Generación

Distribuida, se deben comparar estos indicadores.

Pero en Colombia desde el punto de vista financiero esto no es un factor pues las

multas cobradas a los operadores del sistema no son tan altas como para obligar un

mejoramiento del servicio, es decir que los únicos que hacen mejoras, las hacen para

prestar un mejor servicio, y para ahorrar en lo que se refiere a la Energía No

Suministrada (ENS), pues el costo de racionamiento más del doble de la tarifa

regulada.

En este análisis se comparan las diferentes opciones de la Generación Distribuida con

el caso en el cual no se tiene Generación Distribuida conectada al Sistema de

Distribución, desde el punto de vista del ahorro en la Energía No Suministrada, pues la

forma de operar la Generación Distribuida no permite un mejoramiento en el indicador

FES, es más, puede llegar a aumentarlo; como se verá en el siguiente capítulo.

IEL1-2002-II-13

40

Se encuentra entonces a continuación una tabla que muestra el resumen de todos los

casos, y se comparan los resultados.

3.5.1. Escenario Urbano

Para observar de mejor forma los resultados se presentan las siguientes gráficas del

comportamiento:

Tabla 3-1 Resultados Generales Escenario Urbano

URBANO EUE (KWh) % del Total CostosCaso 1 1539648 1.24% 246,343,680.00$ Caso 2.1 1482624 1.19% 237,219,840.00$ Caso 2.2 1435968 1.15% 229,754,880.00$ Caso 2.3 1296000 1.04% 207,360,000.00$ Caso 2.4 1202688 0.97% 192,430,080.00$ Caso 3.1 1394496 1.12% 223,119,360.00$ Caso 3.2 1290816 1.04% 206,530,560.00$ Caso 3.3 979776 0.79% 156,764,160.00$ Caso 3.4 886464 0.71% 141,834,240.00$

E U E ( K W h )

0

500000

1000000

1500000

2000000

Caso

1

Caso

2.1

Caso

2.2

Caso

2.3

Caso

2.4

Caso

3.1

Caso

3.2

Caso

3.3

Caso

3.4

Figura 3-1 Comparación de los Diferentes Casos

IEL1-2002-II-13

41

3.5.2. Escenario RuralPara observar de mejor forma los resultados se presentan las siguientes gráficas delcomportamiento:

Tabla 3-1 Resultados Generales Escenario Rural

RURAL EUE (KWh) % del Total CostosCaso 1 370656 2.98% 59,304,960.00$ Caso 2.1 356659 2.87% 57,065,472.00$ Caso 2.2 346810 2.79% 55,489,536.00$ Caso 2.3 317261 2.55% 50,761,728.00$ Caso 2.4 297562 2.39% 47,609,856.00$ Caso 3.1 334886 2.69% 53,581,824.00$ Caso 3.2 311040 2.50% 49,766,400.00$ Caso 3.3 239501 1.93% 38,320,128.00$ Caso 3.4 219802 1.77% 35,168,256.00$

E U E ( K W h )

0

100000

200000

300000

400000

Caso

1

Caso

2.1

Caso

2.2

Caso

2.3

Caso

2.4

Caso

3.1

Caso

3.2

Caso

3.3

Caso

3.4

Figura 3-1 Comparación Casos

3.5.3. Análisis de Comparativo desde el Punto de Vista de la Confiabilidad delos diferentes casos estudiados.

Como se había dicho en los capítulos anteriores, los indicadores FES y DES del

sistema, no son un criterio de decisión, pues la forma de operar la Generación

Distribuida así lo obliga.

Pero lo que sí puede volverse en un criterio de decisión para la implementación de la

Generación Distribuida es la Energía No Suministrada (ENS)

Si vemos los costos generados por no atender carga, y comparamos entre todos los

casos, vamos a tener un criterio de decisión entre todas las posibles configuraciones

planteadas para este estudio.

IEL1-2002-II-13

42

Tabla 3-1 Análisis Comparativo desde el punto de vista Financiero

URBANO Costos Ahorro Porcentaje AhorradoCaso 1 246,343,680.00$ Caso 2.1 237,219,840.00$ 9,123,840.00$ 3.70%Caso 2.2 229,754,880.00$ 16,588,800.00$ 6.73%Caso 2.3 207,360,000.00$ 38,983,680.00$ 15.82%Caso 2.4 192,430,080.00$ 53,913,600.00$ 21.89%Caso 3.1 223,119,360.00$ 23,224,320.00$ 9.43%Caso 3.2 206,530,560.00$ 39,813,120.00$ 16.16%Caso 3.3 156,764,160.00$ 89,579,520.00$ 36.36%Caso 3.4 141,834,240.00$ 104,509,440.00$ 42.42%

RURAL Costos Ahorro Porcentaje AhorradoCaso 1 59,304,960.00$ Caso 2.1 57,065,472.00$ 2,239,488.00$ 3.78%Caso 2.2 55,489,536.00$ 3,815,424.00$ 6.43%Caso 2.3 50,761,728.00$ 8,543,232.00$ 14.41%Caso 2.4 47,609,856.00$ 11,695,104.00$ 19.72%Caso 3.1 53,581,824.00$ 5,723,136.00$ 9.65%Caso 3.2 49,766,400.00$ 9,538,560.00$ 16.08%Caso 3.3 38,320,128.00$ 20,984,832.00$ 35.38%Caso 3.4 35,168,256.00$ 24,136,704.00$ 40.70%

El grado de confiabilidad de un sistema, sin importar cual sea este, es directamente

proporcional al costo de la implementación, y este caso no es la excepción.

Como se puede ver, la implementación que mejor resulta, tanto para el Circuito Rural,

como para el Urbano, es la implementada en el caso 3.4, es decir los dos generadores,

cubriendo la totalidad de su sección. En este caso el ahorro por efecto de la

disminución en la cantidad de energía no suministrada para el circuito rural es de

$24’136,704, que equivale a un ahorro del 40% con respecto al caso en el cual no

existe Generación Distribuida. Para el circuito Urbano, se presenta un ahorro de

$104’509,440, que equivale a un ahorro del 42.62% con respecto al primer caso, en

cual la Generación Distribuida no aporta desde el punto de vista de la Confiabilidad.

3.5.4. Análisis de Comparativo desde el Punto de Vista Financiero y deConfiabilidad del Circuito Urbano y el Circuito Rural

En este punto es bueno analizar como se comporta la Generación Distribuida desde el

punto de vista financiero, analizando la factibilidad de esta en un circuito urbano y en

un circuito rural.

IEL1-2002-II-13

43

Veamos en primera instancia como son los porcentajes de carga dejados de atender,

para de esta forma poder empezar a comparar los dos tipos de circuitos.

Como la tasa de fallas de un sistema rural es mayor a la tasa de fallas de un sistema

urbano, se tiene que los indicadores FES y DES son más altos, como se muestra en la

siguiente tabla de resultados:

FES (Salidas al Año) DES (Horas al Año)Urbano 40 62Rural 103 116

Y como se puede apreciar en la siguiente gráfica, el porcentaje dejado de atender es

mayor en el Escenario Rural que en Escenario Urbano.

0.00%

1.00%

2.00%

3.00%

4.00%

Caso 1 Caso

2.1

Caso

2.2

Caso

2.3

Caso

2.4

Caso

3.1

Caso

3.2

Caso

3.3

Caso

3.4

% del Total Rural % del Tota l Urbano

Figura 3-1 % Dejado de Atender en cada Escenario

Sin embargo si se hace un análisis comparativo entre las ENS de cada uno de los

circuitos típicos analizados, y basados en la siguiente gráfica se tiene:

0500000

10000001500000

2000000

Caso1

Caso2.1

Caso2.2

Caso2.3

Caso2.4

Caso3.1

Caso3.2

Caso3.3

Caso3.4

EUE Rural (KWh) EUE Urbano (KWh)

Figura 3-2Gastos Incurridos en cada Escenario

IEL1-2002-II-13

44

Entonces como se puede ver, aunque la el porcentaje de carga dejado de atender en el

caso rural es mucho mayor que en el caso urbano, la energía no suministrada en el

primer caso es mucho menor que la energía dejada de suministrar en el segundo.

Por lo tanto se puede ver, que aunque desde el punto de vista de la confiabilidad sería

el escenario propicio para la implementación de la Generación Distribuida es el rural,

desde el punto de vista financiero, es mucho mejor implementarla en un circuito

urbano, claro esta, que esto también depende de la infraestructura necesaria para la

instalación, pero partiendo del hecho que la diferencia en infraestructura en la

instalación de un generador distribuido no es relevante, se tendría que el caso de

mayor factibilidad financiera es el Circuito Urbano.

Por otro lado, si se quiere ver como mejorar la calidad del servicio, desde el punto de

vista da la confiabilidad, se puede encontrar una opción en la generación distribuida,

sin necesidad de pensar en la expansión del sistema de transmisión, y de distribución.

Esto se ilustra en el siguiente capítulo.

IEL1-2002-II-13

45

4. CONFIABILIDAD DE LA MAQUINA

4.1. Introducción

Aunque hay muchos tipos de fuentes, desde el punto de vista de la confiabilidad, estas

pueden agruparse en dos grandes tipos. Las que dependen de una fuente de energía

variable, razón por la cual no pueden ser programadas por ejemplo las fuentes que

dependen del viento o el sol. Por otro lado están las que no dependen de fuentes de

energía variable, por ejemplo las hidráulicas, las de gas o las de diesel, estas pueden

ser programadas con tiempo de anticipación.

El segundo grupo, puede estudiarse con técnicas convencionales de confiabilidad,

pues solo dependen de la disponibilidad de la maquina en sí misma. El primer tipo es

mucho más complicado pues en el modelo se debe incluir la disponibilidad de la fuente

primaria de energía y además la disponibilidad del generador en si. Este último grupo

no se estudiará en este capitulo pues no es factible en Colombia, como lo muestran

diferentes estudios.

4.2. Modelo de Confiabilidad de la Máquina

Este modelo basado en las Simulaciones de Montecarlo, tiene como fin, mostrar cual

es la confiabilidad de un sistema de distribución con Generación Distribuida, desde el

punto de vista de la máquina.

4.2.1. Descripción del Modelo

Este modelo fue realizado en la aplicación Microsoft Excel, la cual presenta muchos

beneficios con respecto a las simulaciones de Montecarlo, pues las operaciones

basadas en la generación de números aleatorios son muy sencillas de realizar.

El modelo desarrollado consta de tres hojas, las cuales se describen a continuación:

Hoja 1: Formulario. Recibe toda la información necesaria para desarrollar el modelo.

Se debe tener cuidado con la introducción de los datos, pues se puede llegar a borrar

alguna de las formulas escritas.

IEL1-2002-II-13

46

Hoja 2: Modelo de Máquina. En esta hoja se encuentran relacionadas todas las

ecuaciones necesarias para poder encontrar los resultados para realizar el análisis.

Hoja 3: Modelo Máquina-Sistema. En esta hoja se encuentra el modelamiento que

busca complementar el análisis de la confiabilidad de la Máquina con el del Sistema,

tomando como entrada los resultados del modelo de confiabilidad.


Caso 1

Desde el punto de vista de la confiabilidad de la máquina, el hecho de tener un

generador distribuido conectado en el mismo punto de la subestación va a aportar un

mayor nivel en al confiabilidad, siempre y cuando, la falla no ocurra en la subestación

sino que provenga de una falla en el sistema de transmisión.

Si inicialmente consideramos al sistema sin Generación Distribuida, se tienen los

siguientes resultados:

Tabla 4-1Resultados Caso 0

FES 58DES 1392ENS (KWh) 484416Costos 79,928,640.00$

Esto implica que cada vez que se presenta una falla en el sistema de transmisión que

tiene repercusión en el sistema de distribución estudiado, se incurre en unos costos

debidos a la ENS. Para este primer ejemplo, el costo en el cual se incurre por efecto de

la Energía No Suministrada es de $79’928,640.

Ahora, suponiendo un generador distribuido de una capacidad de 3500 KW, instalado

en la subestación, se tienen los siguientes resultados.

Tabla 4-2 Resultados Caso 1

FES 88DES 1392ENS (KWh) 246384Costos 40,653,360.00$

IEL1-2002-II-13

47

Esto significa un ahorro de $39’275,280 que equivale al 49%. Es decir que agregar un

generador en la subestación reduce a la mitad los gastos incurridos por falla en el

sistema anterior a la subestación.

Caso 2.1

En este caso, un generador es conectado en el extremo opuesto a la subestación, en

el nodo E, del circuito de estudio, con capacidad suficiente para cubrir la carga de su

propio nodo, es decir que para este caso la capacidad del generador es 469 KW, con

esto presente se obtienen los siguientes resultados:

Tabla 4-3Resultados Caso 2.1

FES 88DES 1392ENS (KWh) 449838.72Costos 74,223,388.80$

Con respecto al caso base, se tiene un ahorro muy pequeño, de tan solo $5’705,251,

es decir un ahorro del 7%, que haría pensar que desde le punto de vista financiero es

una alternativa poco atrayente, para la empresa distribuidora. Pero este análisis debe

llevarse al punto del nodo propiamente dicho, para ver como se mejoran los

indicadores FES y DES en ese punto en particular, y de esta forma poder analizar si es

una buena opción desde el escenario en el cual la industria es la dueña del generador.

Caso 2.2

En este caso el generador instalado en el Nodo E, puede atender la carga del Punto E

y del Punto D, es decir que tiene una capacidad de 920 KW. Utilizando esta opción se

tienen los siguientes resultados:



Se puede ver que con esta configuración el ahorro debido al ENS es de $11’410,502

que equivale al 14%. Esta configuración es mucho más atrayente para el inversionista,

pues puede incluirse la venta de la energía como un ingreso más para el industrial que

decide adquirir el generador, de esta forma se podría financiar la compra. De igual

IEL1-2002-II-13

48

forma se debería profundizar el análisis en los puntos E y D y ver como cambian los

indicadores FES y DES en ellos.

Caso 2.3

Este caso empieza a tomar más importancia y se vuelve más atrayente desde el punto

de vista financiero pues con el generador instalado se puede atender la carga de toda

la sección 3 del circuito de estudio. Para esto el generador debe tener una capacidad

de 2300 KW (2.3MW). Con esta configuración tenemos los siguientes resultados:



Esto representa un ahorro de $28’526.256, que equivale al 36% sobre el caso original,

lo que implica una mayor opción de implementación pues el ahorro ya es considerable

y puede llegar a ser un factor, pues además de esto mejora considerablemente la

calidad del servicio prestado.

Caso 2.4

Este es un caso más ambicioso, pues además de alimentar la Sección 3 en su

totalidad, atiende por medio de una línea de suplencia los Puntos de Carga X y V

pertenecientes a la Sección 2. El generador debe tener una capacidad de 3220 KW

(3.22 MW) para cubrir con las demandas asociadas a los puntos de carga atendidos.

Los resultados son los siguientes:



Con esta configuración se obtiene un ahorro del 50% con respecto al caso inicial; esto

equivale a $39’936,758 valor que comparado con el gasto inicial es considerablemente

alto y puede llegar a convertirse en una opción siempre y cuando el costo del

generador de esta capacidad así lo permita.

IEL1-2002-II-13

49

Caso 3.1

Para este caso se consideran dos generadores distribuidos, conectados en dos nodos

lejanos de la subestación, y ubicados en secciones diferentes del circuito que se esta

estudiando. Primeramente se consideran generando solo lo suficiente para cubrir la

demanda de sus propios nodos, para esto, la capacidad de los generadores debe ser

de 460 KW cada uno. Con esta configuración se obtienen los siguientes resultados:



Esta configuración significa un ahorro de $11’516,155 que equivale al 14%

comparando con el caso inicial. Este caso podría asemejarse al caso 2.2 en el cual se

atienden también dos puntos de carga, peor este tiene la diferencia que son dos

generadores diferentes en puntos de carga diferente, lo cual permite una mayor

confiabilidad del sistema, pues los eventos de falla de los generadores son eventos

independientes.

Caso 3.2

Este caso es igual al caso 2.2 en su planteamiento, pero la idea es alimentar además

del nodo en el cual se encuentra le generador el nodo vecino más cercano. En el caso

escogido serían los nodos P y Q que son los que tienen el generador y los nodos H y J.

H es atendido por el generador en P y J por el generador en Q. Para implementar este

caso se necesita que los generadores tengan una capacidad de 920 KW cada uno,

para un total de Generación Distribuida de 1840 KW (1.84MW). Los resultados son los

siguientes:



Para este caso se esta alcanzando el 29% de ahorro sobre el caso inicial, lo que

equivale en pesos a $23’032,310, lo cual ya es una cifra muy alta comparada con el

IEL1-2002-II-13

50

caso de solo un generador y más aún con el caso en el cual no existe Generación

Distribuida.

Caso 3.3

Este es el caso que financieramente y técnicamente parece ser el más acertado y el de

mayor posibilidades. La idea es alimentar la carga de toda la sección 3 y de todo el

fusible 3, es decir que cada uno de los generadores debe tener una capacidad de

generación de 2300 KW (2.3MW) para poder atender el total de la carga conectada.



En esta tabla de resultados se puede ver que el gasto debido a la ENS es de

$22’347,864 lo que implica una disminución en el gasto por este concepto de

57’580,776 lo que equivale al 72 % comparado con el caso en el cual no se existe

Generación Distribuida.

Caso 3.4

En este caso se es un poco más optimista desde el punto de vista financiero y se

piensa en la instalación de unos generadores que puedan cubrir la demanda de todo la

sección y además de los nodos X y V pertenecientes a la Sección 2. Para esto la

capacidad de los generadores debe ser de 2760 Kw. cada uno.



Esta implementación lleva a un ahorro de 69’096,931 pesos con respecto al caso inicial

sin generadores distribuidos, esto equivale a un 86% menos. Si se observa

detalladamente se puede ver que aunque el costo de un generador de esta capacidad

es alto la cantidad de energía ahorrada es muy alta y puede llegar a compensar la

inversión si se analiza el proyecto a lo largo de un periodo considerable de retorno de

capital.

IEL1-2002-II-13

51

4.2.3. Análisis Comparativo de los Diferentes Casos Estudiados

El estudio de los diferentes casos presentados en el subcapítulo anterior permite

mostrar los siguientes resultados en los cuales se comparan las diferentes

configuraciones desde le puntos de vista del porcentaje ahorrado con respecto al caso

original sin Generación Distribuida:

Tabla 4-1 Resumen de Todos los Casos

Caso 0 Caso 1 Caso 2.1 Caso 2.2 Caso 2.3ENS (KWh) 484416 246384 449838.72 415261.44 311529.6COSTOS 79,928,640.00$ 40653360 74223388.8 68518137.6 51402384PORCENTAJE 0% 49% 7% 14% 36%AHORRO -$ 39,275,280.00$ 5,705,251.20$ 11,410,502.40$ 28,526,256.00$

Caso 2.4 Caso 3.1 Caso 3.2 Caso 3.3 Caso 3.4ENS (KWh) 242375.04 414621.12 134 135441.6 65646.72COSTOS 39991881.6 68412484.8 1392 22347864 10831708.8PORCENTAJE 50% 14% 34482624% 72% 86%AHORRO 39,936,758.40$ 11,516,155.20$ 56,896,329.60$ 57,580,776.00$ 69,096,931.20$

TABLA RESUMEN CASOS

Se debe empezar comentando acerca del Caso 1, habíamos visto que para el estudio

de la confiabilidad desde el punto vista de las fallas en los tramos de las líneas, este

caso no aportaba una solución importante al problema de la ENS, por el contrario si se

estudia el problema desde el punto de vista de la confiabilidad de la máquina, podemos

ver que si se instala un generador en la subestación el ahorro en Energía No

Suministrada es muy importante, pues cubre las fallas provenientes del Sistema hacia

atrás de la Subestación. Esto nos hace pensar en tener un generador en la

subestación que permita cubrir la totalidad de la demanda, pero esto haría muy costoso

el servicio, pues se trasladaría al usuario el costo de la Reserva Rodante generado por

el hecho de mantener este Generador listo para entrar en el momento de una falla. Por

esto en el análisis hecho se plantea la posibilidad de tener un generador con una

capacidad menor pero con la posibilidad de atender una carga suficiente para justificar

su implementación.

Ahora para comparar los demás casos se muestran las siguientes tablas y figuras que

ilustren el porcentaje ahorrado en cada unos de los casos.

IEL1-2002-II-13

52

$-$10,000,000.00$20,000,000.00$30,000,000.00$40,000,000.00$50,000,000.00$60,000,000.00$70,000,000.00$80,000,000.00$90,000,000.00

Caso

0

Caso

1

Caso

2.1

Caso

2.2

Caso

2.3

Caso

2.4

Caso

3.1

Caso

3.2

Caso

3.3

Caso

3.4

COSTOS

AHORRO

Como se puede ver, a medida que se aumenta el ahorro (se disminuye el gasto), la

confiabilidad del sistema es mucho mayor pues la energía dejada de suministrar

empieza a disminuir considerablemente.

4.2.4. Análisis de Sensitividad de los Indicadores FES y DES

Asumiendo una operación en paralelo, se puede observar el sistema como dos bloques

conectados en paralelo entre el punto de suministro y el de no suministro, este

concepto se muestra en la siguiente figura:

Figura 4-1 Comportamiento del Sistema y el Generador

Es decir que desde el punto de vista de cada uno de los nodos, se debe ver un sistema

que simplemente consiste en entregarle potencia a cada uno de los nodos.

Se puede hacer este análisis tomando como ejemplo algunos nodos claves del sistema

que se ha venido estudiando.

IEL1-2002-II-13

53

Nodo E y Nodo Q

Estos nodos son especiales desde el punto de vista del estudio pues en ellos se

instalan generadores y también reciben alimentación en los otros casos provenientes

de un generador distribuido no instalado en ellos.

Se debe volver a definir la función de confiabilidad de este par de nodos para cada uno

de los casos de tal forma que se pueda tener claro cual es el cambio en el valor de los

indicadores FES y DES.

Los resultados que se obtiene por medio de las simulaciones de Montecarlo para el

FES y el DES de estos nodos en los casos especiales de este par de nodos son un

tanto dramáticos, pues si se tiene en cuenta una operación en línea de los generadores

se tendría que el FES y el DES se reducirían a cero. Esto puede llevarnos a la

conclusión que la alta confiabilidad del sistema conlleva un costo muy elevado, pues

como decía previamente mantener un generador en operación en Línea y además la

conexión a la red hace que el costo en el cual incurren este par de nodos (posibles

industrias) sea muy alto y difícil de asumir.

4.3. Análisis de Confiabilidad en un Modelo de Demanda por Periodos con

Despacho Económico

Con este modelo se busca analizar la confiabilidad en un sistema de distribución con

Generación Distribuida, que atiende la carga siguiendo un modelo de seis periodos, y

pretende ver, como se comportaría el sistema si se despachan los generadores

distribuidos como en un despacho económico regular, sin pérdidas.

4.3.1. Descripción del Modelo

Para el desarrollo de este modelo se hizo una rutina de optimización en Solver, que

junto con los resultados obtenidos en el modelo de Confiabilidad y en el Modelo de

Máquina, busca mediante la optimización clásica del despacho económico, ver el

impacto de la implementación de la Generación Distribuida en un sistema de

distribución más cercano a la realidad.

IEL1-2002-II-13

54

Está compuesto por las siguientes hojas de cálculo:

Hoja 1: Despacho. En esta hoja se encuentra la rutina y los datos de entrada del

sistema, tales como el costo de cada Kwh. de cada generador, las potencias máximas

y mínimas y el costo horario del periodo.

Hoja 2: Costos. Se encuentra el resultado del costo total por máquina del periodo. El

Costo Total del día se halla sumando los costos para cada periodo de carga.

Hoja 3: Confiabilidad. Se encuentra el modelamiento de la confiabilidad para cada

periodo, dependiendo del despacho económico, de tal forma que se puedan evaluar los

costos totales del periodo, es decir, los costos de operación, más los costos incurridos

por la ENS.


4.3.2.1. Combinación de Tecnologías

La idea de este modelo es entonces ver el comportamiento del sistema si se despacha

los generadores distribuidos dentro de un despacho económico regulado, por esta

razón solo se tienen en cuenta los costo de las diferentes tecnologías, para esto se

asume un generador de cada una y se empieza el despacho. Por esta razón se puede

ver que la única forma de combinar las tecnologías es fijándole un límite a la

alimentación central, para poder darle una entrada competitiva a la Generación

Distribuida.

La diferencia entre el costo de alimentación central y el de los pequeños generadores

distribuidos es mucho, por esta razón siempre van a perder en un despacho económico

entonces se debe fijar un mercado regulado para que los inversionistas tengan algún

privilegio por considerar las tecnologías verdes. Si tomamos por ejemplo a las celdas

combustibles, son 10 veces más caras que la demás generación, por esta razón no se

ven atractivas desde el punto de vista financiero, pero con el movimiento mundial con

tendencia hacia las tecnologías verdes se debe empezar a regular para que por medio

de la regulación puedan entrar al despacho y de esta forma recuperar la inversión.

IEL1-2002-II-13

55

4.3.2.2. Despacho Económico

Teniendo en cuenta lo anterior se tiene el siguiente resultado para un despacho diario

en periodos de 4 horas.

Tabla 4-1Resultado del Despacho para cada Periodo

Capacidad 10000 8000 6000 4000 2000Alimentador 5000 5000 4596.000002 2596 596 0Diesel 2500 2500 0 0 0 0Turbina 3404 2500 3404 3404 3404 2000Celda Combustible 2000 0 0 0 0 0

Despacho para cada Periodo

4.3.2.3. Análisis de Confiabilidad por Periodo.

Como se puede ver en la siguiente tabla, a medida que la demanda disminuye,

disminuye el costo por energía dejada de suministrar, pero se empieza a depender del

suministro de unos pocos generadores, lo importante entonces es que se mantenga

una regulación que permita la competencia de los diferentes generadores y tecnologías

para mantener un nivel de confiabilidad mucho mayor

Tabla 4-1 Resultados de Confiabilidad de los Diferentes Casos

Demanda (kW) Costos por Despacho Costos por ENS Costos Totales10000 10,592.00$ 1,363.56$ 11,955.56$ 8000 8,132.11$ 1,093.61$ 9,225.72$ 6000 6,020.11$ 813.25$ 6,833.35$ 4000 3,908.11$ 532.88$ 4,440.99$ 2000 1,926.40$ 264.00$ 2,190.40$

IEL1-2002-II-13

56

5. RESULTADOS GENERALES

5.1. Conclusiones

Como se pudo ver a lo largo del artículo, la introducción de la GD esta llena de

beneficios desde el punto de vista de la Confiabilidad, más exactamente de los

indicadores FES, DES y EUE del Sistema. La GD es sin lugar a dudas el futuro de los

sistemas de distribución y como tal presenta fortalezas que pueden marcar una gran

diferencia en el momento de tomar alguna decisión.

Si se toma el modelo de Confiabilidad del Sistema, se puede ver como las diferentes

configuraciones y capacidades marcan una gran diferencia entre los casos estudiados.

A medida que aumenta la capacidad del generador, la ENS disminuye

considerablemente, pero a su vez la inversión inicial es mucho más alta, por esta

razón, el propietario del generador distribuido puede cambiar. Por ejemplo, cuando el

generador atiende la carga de un nodo, o de dos, el propietario puede ser la industria

misma en la cual se instala, pero cuando la capacidad alcanza para cubrir la demanda

de toda una sección de un circuito particular el dueño del GD debe ser la empresa

comercializadora de la región. En su defecto, y si la regulación lo permite, una industria

que pueda pensar en exportar de su energía a los demás puntos de carga, recibiendo

de esta forma un ingreso que le permita subsanar los costos incurridos por la inversión

inicial.

En el Modelo de Confiabilidad de la Máquina se puede ver como el porcentaje de

energía ahorrado es muy alto y justifica en cierto modo la inversión siempre y cuando

el generador este operando en paralelo con el sistema de distribución. De esta forma

se logra una alta disminución en el valor de todos los indicadores, pues para que un

punto de carga vea una falla tiene se tiene que presentar algún evento e falla tanto en

el generador como en el segmento de línea, esto se presenta en un porcentaje mínimo

dentro del modelo realizado con SMC.

Cuando se incluye el modelo de Despacho Económico se puede ver de una forma más

real cual va a ser el comportamiento del sistema en lo que se refiere a ENS, pues

cuando falla un generador no siempre esta despachando su capacidad máxima si no lo

que tiene programado para la hora en la cual falla. Paro sigue siendo una

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aproximación, por esta razón el tema queda abierto para futuras investigaciones, pues

se debe llegar a estudiar en un circuito real con un despacho real, de tal forma que se

pueda analizar más en concreto la factibilidad de la implementación de la GD en un

circuito específico y para una empresa comercializadora y/o distribuidora específica.

En lo que se refiere a los costos de inversión en GD, se puede ver que el ahorro en

ENS es alto para las configuraciones en las cuales se utiliza una capacidad de

generación alta, lo cual permite que el retorno de la inversión sea mucho más rápido,

debido al aprovechamiento de las economías de escala propias de las tecnologías

utilizadas en la GD.

El modelo desarrollado fue bien logrado gracias a las SMC y su fácil implementación

en el programa Excel. Debido a que se tenían algunos datos históricos, pero no se

tenían datos de algún circuito de distribución con GD, se desarrolló un modelo

predictivo que permitiera encontrar resultados claros para analizar al problema de la

GD.

5.2. Recomendaciones

Dentro del gran marco que fue el estudio de la Factibilidad de la Implementación de la

GD en Colombia, el estudio de la Confiabilidad muestra como los indicadores FES y

DES se cumplen y se logran mantener en el mediano y largo plazo en de la GD arroja

unos resultados asombrosamente favorables, dejando claro que el estudio no se ha

terminado, que se debe seguir profundizando en el tema.

Se propone realizar un estudio específico para alguna entidad comercializadora de

Energía Eléctrica, para tener los datos más exactos y tener resultados más reales y

aplicables.

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6. BIBLIOGRAFIA

1) J. L. Del Monaco, “Research Needs In Distributed GenerationTechnologies”, National Science Foundation

2) Wayne Shirley, “Simplified Distribution System Cost Methodologies forDistributed Generation”, , February 2001

3) http://www.distributed-generation.com/library.htm4) H. L. Willis, G. Scott “Distributed Power Generation”, Marcel Dekker Inc.,

2000.5) “DG Power Quality Protection and Reliability “. Distributed Power Program,

Case Studies Report, 2001.6) “Assessment of Distributed Generation Technolog Applications” , Resource

Dynamics Corporation, Febrero 2001.7) N Jenkins, "Impact Of Dispersed Generation On Power Systems",

Revista:Electra, Nº 199, Diciembre 2001, pp.06-13.8) Goran Strbac "Impact of Dispersed Generation on Distribution Systems: a

European Perspective", IEEE, 2002.9) Lewis Dale ,"Distributed Generation and Transmission", IEEE, 2002.10) IEEE Spectrum Articles on DG: http://www.spectrum.ieee.org/11) http://www.eren.doe.gov/distributedpower/12) Dugan, Roger C., Mcdermott Thomas E., paper, “Distributed Generation”,

IEEE Industrial Applications Magazine, marzo/ abril 2002.13) Jenkins Nick, Ron Allan, Peter Crossley, Daniel Kirchen and Goran Strbac.

“Embedded Generation” IEE, 2000.14) www.gepower.com/dhtml/distributed_power/en_us/index.jsp15) www.gepower.com/dhtml/enter/en_us/products/index.jsp16) www.epri-peac.com17) www.energy.ca.gov/distgen/18) www.distributed-generatoin.com/library.htm19) Tande, J.O. and jenkins, N.: “International standars for power quality of

dispersed generation”. Paper 4/7 CIRED International Conference onElectricity Distribution, Nice France, 1 – 4 Junio 1999.

20) Allan, R.N. and M. DA GUIA DA SILVA.: “Evaluation of reliability indicesand outages costs in Dsitribution Systems”, IEEE Transactions on PowerApparatus and Systems, 1979, PAS-98,pp2181-2189

21) BILLINTON, R and ALLAN, R.N.: “Reliability evaluation of power systems”(Plenum Publishing, New York, 1984, 2da Edición)

22) BOLLEN Math H.J.: “Undertanding Power quality Problems, Voltage Sagsand Interruptions”, IEEE PRESS, 2000

23) “Reliability and Distributed Generation“ an Arthur D. Little. White Paper.

análisis de la confiabilidad de un sistema de distribución

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