sin título de diapositiva - cecacier - inicio · 2018-02-23 · problema de alquiler o compra...

Planificación clásica de las redes de Distribución y el nuevo entorno

(aumento de variables)

Ing. Tomás Di Lavello

[email protected]

[email protected]

Costa Rica, Junio 2017

mailto:[email protected]


La industria de la energía eléctrica ha evolucionado alo largo de muchas décadas, a partir de un generadorde baja potencia, sirviendo a un área limitada, hastallegar en la actualidad a las redes altamenteinterconectadas, sirviendo a un gran número deregiones dentro de un mismo país, distintos países, oincluso distintos continentes.

Un sistema eléctrico de potencia es uno de lossistemas de mayor escala jamás hechos por elhombre, que consta de gran número decomponentes; partiendo desde equipamientoseléctricos de baja potencia, hasta enormesturbogeneradores de muy alta potencia.

Para este Sistema hay que analizar su performance endiferentes escenarios, por lo menos en actual y futuro.

En el escenario actual se debe abastecer a la demandade manera eficiente, debiéndose “pensar” cómoabastecer de manera satisfactoria la demanda a futuro.

“OPERACIÓN” es el término normalmente utilizado paraestudiar el funcionamiento del escenario que representala situación actual.

“PLANIFICACIÓN” se utiliza para denotar las accionesnecesarias para el estudio del escenario defuncionamiento de la red a futuro.

ETAPAS DEL ANÁLISIS

• Previsión de la demanda futura (carga y generación)

• Diagnóstico de la Red

• Planificación de la Red

En la etapa del diagnóstico de la red se identifican losproblemas de la red actual: estructurales, eléctricos yde calidad de servicio, para luego pasar a laplanificación de la red futura.

En la Planificación se evalúan las posibles alternativaspara darle solución a los problemas diagnosticados yse culmina eligiendo la mejor alternativa desde elpunto de vista técnico-económico para suimplementación.

¿Por qué planificar?

El propósito básico de un modelo de Planificación delas redes de energía eléctrica, es guiar el proceso dela toma de decisiones, para asegurar la expansiónnecesaria del sistema que permita atender elcrecimiento de las cargas, con una calidad de servicioadecuada y de forma eficiente desde el punto devista técnico-económico.

Recomienda qué se debe hacer,

y cuándo se debe hacer.

El aumento de la demanda y/o incorporación de GD,pueden ocasionar el aumento de los flujos de potenciaen el pico o baja carga que conducen a las siguientesconsecuencias:

• Los circuitos alimentadores pueden sobrecargarsemás allá de sus límites de capacidad;

• Los transformadores de las estaciones tambiénpueden sobrepasar su carga máxima;

• Las tensiones en la red pueden caer por debajo delos límites permitidos, ya que las caídas de tensión enlos transformadores y alimentadores aumentan;

• Se producen aumentos de las pérdidas técnicas en lared eléctrica.

Algunas posibles acciones a tomar:

• No hacer nada (“Do Nothing”)

• Instalación de nuevos tramos alimentadores en lared;

• Instalación de nuevas estaciones detransformación, o la repotenciación de lasestaciones existentes (aumento de la capacidad detransformación);

• Repotenciación de los conductores existentes en lared;

• La reconfiguración de la topología de la redeléctrica (redistribución de la carga).

• Otras.

¿Dónde?, ¿Cómo? y ¿Cuándo?

• Optimización de estaciones: implica elproblema de alquiler o compra (dónde), diseño(cómo) y el momento de la instalación (cuándo) delas estaciones de distribución (nuevo o ampliaciónde capacidad);

• Optimización de alimentadores: implica elproblema del tendido y compra (dónde), diseño(cómo) y el momento de la instalación (cuándo);

• Modelo de varias etapas: el período deplanificación se divide en varias etapas. Por logeneral, cada etapa corresponde a un año deestudio.

El concepto de “mejor alternativa”:

Normalmente existen varias alternativas.

Se debe bucar la “mejor alternativa”, aquella queconduce a la minimización de los costos de inversióny operación del sistema (función objetivo de Costossujeto a ciertas Restricciones: es un problema deoptimización).

El concepto de “mejor alternativa”:

El proceso de la planificación de las redes dedistribución implica la obtención del programa deactuaciones futuras a realizar en la red, de modo quepermitan alcanzar unos determinados objetivos, paratener un funcionamiento adecuado de la red. Elobjetivo principal consiste en dar un suministro decalidad, al menor costo posible.

La calidad del suministro tendrá determinadasrestricciones impuestas por la legislación vigente, quees fijada por el organismo regulador, como ser:

los niveles máximos y mínimos de tensión, lafrecuencia, el número y duración de lasinterrupciones del servicio, y otros de difícil medicióno valoración…

que si se incumplen, se deben pagarpenalizaciones…

Restricciones

En general la planificación de las redes es unproblema complejo y no lineal que se basa enalgoritmos de optimización de una funcióneconómica, que refleja los costos de la red (inversión,pérdidas y otros asociados a la calidad delsuministro), sujeto al cumplimiento de ciertasrestricciones.

Formulación del problema

Los costos considerados pueden clasificarse en:

• Costos de inversión (INV): correspondientes almaterial, mano de obra, realización del proyecto,etc.. Se considera que las inversiones se realizan enel momento de la puesta en servicio y que seamortizan a lo largo de toda la vida útil de lainstalación.

• Costos de pérdidas de energía (PERD): son losque se producen a lo largo de todo el período enestudio por concepto de pérdidas técnicas de energíaen los distintos elementos de la red, su valor esproporcional al cuadrado de la corriente, la cualpuede permanecer constante, o variar durante elperíodo del plan.


• Costos de operación y mantenimiento (OYM):se producen durante todo el período en estudio, en elcaso de los conductores es usual considerarlosproporcionales a la dimensión de la red y es funciónde los tipos de conductor empleados, el tipo detendido, etc.. Para los puntos de transformación,estos costos dependen fundamentalmente de ladimensión y del tipo de instalación (intemperie ointerior).


• Costos de calidad (CAL): se refiere a los costosatribuibles a las interrupciones en el suministro, comopor ejemplo, los costos de la energía que se deja desuministrar (ENS), o las posibles indemnizaciones alos clientes. Su evaluación previa no es trivial, y sonlos costos que se pueden asociar a la mala calidaddel suministro.

Desde un punto de vista matemático, los diferentes modelos deplanificación tratan de minimizar una función de Costo (ecuación acontinuación), considerando el mayor número de términosposibles, sujetos al cumplimiento de un conjunto de restricciones.

𝑴𝒊𝒏 {𝐶𝐼𝑛𝑣𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 + 𝐶𝐼𝑛𝑣𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 + 𝐶𝑝é𝑟𝑑 + 𝐶𝐶𝑎𝑙 + 𝐶𝑂𝑦𝑀}

Donde: 𝑪𝐼𝑛𝑣 = 𝑪𝒐𝒔𝒕𝒐𝑰𝒏𝒗𝒆𝒓𝒔𝒊𝒐𝒏𝑪𝑃é𝑟𝑑 = 𝑪𝒐𝒔𝒕𝒐𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠𝑪𝐶𝑎𝑙 = 𝑪𝒐𝒔𝒕𝒐𝐶𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑪𝑂𝑦𝑀= 𝑪𝒐𝒔𝒕𝒐𝑂𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛−𝑀𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜

Sujeto a:

• Abastecer la totalidad de la demanda.

• Cumplir con la regulación de tensión.

• Existencia de un conjunto discreto de conductores.

• Existencia de un conjunto discreto de transformadores.

• Asegurar la operación radial de la red.

• Respetar las zonas de posibles tendidos de la red.

Formulación matemática del problema

✓ Definir detalladamente cada una delas alternativas de solución a laproblemática diagnosticada

✓ Determinar la viabilidad técnica de las alternativas propuestas en N y N-1

Ordenamiento de proyectos (Rankeo)

En la mayoría de los casos los montos resultantes delos planes de inversiones, superan a los presupuestosasignados dentro de las empresas, y por tanto nopermiten realizar todas las obras planificadasinicialmente.

Para determinar cuáles son las obras que integraránel plan de inversiones sujeto a la restricciónpresupuestal, se debe utilizar algún método depriorización.

Ordenamiento de proyectos (Rankeo)

Un indicador simple para ordenar los diferentes proyectos es el del Índice VAN / INV

▪ Es el cociente entre el Valor Actual Neto y el monto invertido en el proyecto.

▪ Nos brinda una medida del beneficio que se obtiene por cada unidad monetaria invertida.

▪ Los diferentes proyectos se ordenarán de mayor a menor según este indicador.

▪ Se elegirán para ejecutar, los proyectos cuyos montos acumulados de inversión sean igual al presupuesto asignado.

Previsión y Estimación de la Demanda


Con el fin de planificar un sistema eléctrico, elplanificador debe conocer que potencia esperaentregar, así como saber dónde y cuándo esapotencia debe ser entregada.

Tal información es proporcionada por una predicciónde la futura de la demanda eléctrica, al igual que otravez de una previsión de carga espacial.


El crecimiento de la demanda se desarrollará:

• En zonas donde ya existen cargas (crecimientovertical) pudiendo ser necesario realizar mejorasen la red tendientes a aumentar capacidad de lamisma.

• En áreas en las que la demanda eléctricaactualmente no existe. (crecimiento horizontal)donde el Distribuidor tendrá que instalar nuevosequipos e instalaciones.


La red de distribución está diseñada de acuerdo a lascargas de los consumidores conectados a ella, por loque es fundamental para el Distribuidor conocer lascargas, tanto sus valores actuales como los futuros.

A pesar de ello, en la mayoría de los casos, losDistribuidores no cuentan con mayor informaciónsobre las cargas individuales de los consumidores, loque ocasiona problemas e incertidumbre en laplanificación y operación de las redes. Esto ocurrefundamentalmente en las redes de menores nivel detensión.


Hasta la década de 1990, los crecimientos de lademanda eran moderados y prácticamente constantesanualmente.

Actualmente existen factores que no hacen validas lasmetodologías de estimación de carga utilizadas en dichoperiodo:

▪ Cambios bruscos de la carga (cargas variables)

▪ Cargas no homogéneas (crecimiento odecrecimiento varia por zonas geográficas y tipo deconsumidores) (movimientos de población, usosnuevos eléctricos (acondicionamiento térmico, autoeléctrico, etc..)

▪ Lograr mayor rentabilidad de las inversiones en lared

Demanda de los Consumidores

• Caracterización de la carga

• Curvas Tipo

• Indicadores (Factores de diversidad ysimultaneidad, factor de contribución a la punta,curva duración de carga)

Caracterización de la carga

Cada consumidor conectado a la red tiene un perfilpropio de su carga, dado que dicha carga varía tantodurante el día como durante el año.

Dichas variaciones fundamentalmente dependen de:

• Factores Electro técnicos

• Factores Climáticos

• Hábitos Individuales


Factores Electro técnicos• Tipo de Edificación (casas, edificios de

apartamentos, centro comercial, urbanización, industria, rural)

• Tipo de Construcción ( Aislación térmica)• Tipo de Acondicionamiento Térmico (Aire

acondicionado, loza radiante, otras fuentes)• Tipo de Calentamiento de Agua (eléctrico, gas,

biomasa, etc.)• Gerenciamiento de la demanda• Depende costo de la Tarifa (costo y tipo de tarifa)• Ubicación Geográfica• Equipos Eléctricos especiales.


Factores Climáticos

• Temperatura media durante el año

• Radiación Solar

• Velocidad media del viento.

Hábitos Individuales

• Tamaño de la familia

• Horario de trabajo del núcleo familia

Curvas Tipo

• Los factores Electro Técnicos pueden ser usados para clasificara los usuarios de las redes por tipo característico de carga.

• Cada categoría de consumidores se caracteriza por tener sucurva de carga cierto patrón durante el día y el año. (curvastipo)

• Dicha asociación de consumidores y curvas tipo, permite alDistribuidor contar con información para sus estudios tarifarios,de operación y planificación del sistema.

Curva Duración de Carga

• Conocida la curva de carga de una instalación ousuario, podemos transformarla en la curva deduración de carga.

• Esta curva brinda una buena idea de la característicade la carga, es utilizada en la mayoría de lasmetodologías de calculo para planificar la red.

Potencia Máxima

Para los Estudios de Redes es fundamental contarcon los valores de las potencias máximas quecircularan por las mismas, las fuentes de dichainformación pueden ser:

• Registros permanentes (SCADA o Registradoresfijos).

• Registros temporales (Registradores móviles).

• Estimaciones según la energía facturada y curvade carga característica. (asociación de usuariosinstalaciones)

• Con la Medida Inteligente

Formula de Velander

Según diferentes estudios se puede comprobar que lademanda de energía durante el período de máximademanda de potencia tiene un distribución normal.

Esto significa que si una cierta carga (por ejemplo en1 hora entre las 20 y 21 horas) de un consumidor esanalizada todos los días durante el período de cargamáxima, los valores de las cargas formarán una curvaque puede ser aproximada por una función dedistribución normal.

Formula de Velander

C1 y C2 Valores empíricos

Carga Caracteristica C1 C2

Residencial sin calefaccion electrica 0,00033 0,050

Residencial con calefaccion electrica 0,00028 0,025

Residencial de Vacaciones 0,00027 0,030

Residencial Rural 0,00015 0,099

Industrial 0,00022 0,160

Comercial y Servicio Publico 0,00015 0,080

Previsión o Proyección de la Demanda

• La “previsión” de una magnitud consiste en el cálculoanticipado que se hace de un hecho que va asuceder, a partir de unas determinadas señales oindicios.

• El primer paso antes de construir un modelo es elegirel horizonte temporal para el cual se pretenderealizar previsión de la demanda de energía eléctrica.

• Los horizontes se pueden dividir en tres diferentesgrupos:

• Corto Plazo

• Mediano Plazo

• Largo Plazo

Previsión o Proyección de la Demanda

Periodo Factores

Corto Plazo Hasta 1 semanaEfecto Climático

Feriados

Mediano Plazo 1 mes a 1 año

Renta per Cápita

Interés

Financiero

Var. Demográficas

Var Tecnológicas

Largo Plazo 1 a 15 años

Renta per Cápita

Interés Financiero

Var. Demográficas

Var Tecnológicas

PBI

Tarifa

Proyección de la Demanda en Distribución

Básicamente existen tres metodologías para laestimación:

• Modelo Causal o Econométrico - estima mediante

técnicas econométricas una relación entre las ventas deenergía (variable dependiente) y variablesindependientes (PBI, tarifa, etc..)

• Modelo Tendencial – Utiliza estudios de series de

tiempo y ajusta una curva de crecimiento (lineal,exponencial, logarítmica, etc..) sin utilizar variablesdependientes, solo se utiliza la serie histórica de ventasde energía por tipo de consumidor

• Modelo subjetivo (opiniones expertas)

Proyección de la Demanda en DistribuciónModelo Causal

Los modelos de pronóstico causales (como por ejemploel econométrico), parten del supuesto de que el gradode influencia de las variables que afectan alcomportamiento del mercado permanecen estables,para luego construir un modelo que relacione esecomportamiento con las variables que se estima son lascausantes de los cambios que se observan en elmercado.


Se puede señalar tres etapas para el diseño de un modelo deproyección causal:

• La identificación de una o más variables respecto a las quese pueda presumir que influyen sobre la demanda, comopor ejemplo el Producto Bruto Interno, número de clientes, latasa da natalidad, la población, tarifas, etc..

• La selección de la fórmula que vincule a las variables causalescon el comportamiento del mercado, normalmente en la formade una ecuación matemática de primer grado; y

• La validación del modelo de pronóstico, de manera quesatisfaga tanto el sentido común como las pruebas estadísticas,a través de la representación adecuada del proceso quedescriba.


Modelo Causal Ajustado

• Es una simplificación del modelo causal. Divide la zonade estudio en tipos de consumidores por usos y se lesaplica un factor de crecimiento a cada tipo de consumo.

• La tasa global de la zona saldrá del ponderado de todoslos tipos de uso de consumo


Modelo Causal AjustadoSupone que cada sector en las zonas responderá a una lógicaglobal de comportamiento.

Los sectores globales que se pueden utilizar son los siguientes:

• Residencial

• Comercio y servicios

• Industrial

• Agropecuario

• Pesca

• Minería

• Construcción


Modelo Causal Ajustado

Para proyectar los consumos en la zona a estudiar, seconsidera la proporción del consumo total actual de cadasector y se lo hace evolucionar según la tasacorrespondientes a cada sector hasta el año de estudio.

Proyección de la Demanda en DistribuciónModelo Tendencial

• Utiliza estudios de series de tiempo y ajusta unacurva de crecimiento.

• Supone que el comportamiento histórico se repetiráen el futuro.

• Se ajustan mediante mínimos cuadrados mediantelos siguientes posibles tipos de curvas:

• Lineal

• Logarítmica

• Polinómica

• Potencial

• Exponencial

• Curva S de Gompertz

Proyección de la Demanda en DistribuciónModelo Tendencial

El indicador utilizado para medir la bondad del modelo es el R2,en la medida que se acerque a uno indica que la curvarepresenta muy bien la evolución de la serie.

En primer lugar se analiza el ajuste del modelo, y una vez quese confirma la bondad del mismo se realizan las proyecciones alos años de estudio. Esa proyección presentará un margen deerror, es decir un valor máximo y mínimo de ventas en elfuturo.

Las serie usualmente utilizadas son por tipo de clientes(Comercial, Residencial, Industrial y Alumbrado público).

Proyección de la Demanda en DistribuciónProcedimiento

• Recolección y depuración de la información históricade ventas de energía (kWh) asociada a la zona deestudio por tipo de consumidores y actividad.

• Estimación de los modelos tendenciales y decausalidad o causal adaptado.

• Proyección de datos históricos y análisis de bondadde ajuste por ambos métodos

• Ajuste final de proyecciones e incorporación decargas puntuales

Proyección de la Demanda en DistribuciónRecolección de la información

Recolección y depuración de la información histórica deventas de energía (kWh) asociada a la zona de estudio:

• Por tipo de consumidores

• Comercial

• Industrial

• Residencial

• Alumbrado Público

Proyección de la Demanda en DistribuciónRecolección de la información

Por tipo de actividad (Residencial, Comercio yservicios, Industrial, Agropecuario, Pesca, Minería,Construcción, etc..)

• Por nivel de Tensión (ST, MT y BT)

• Por Centro de Transformación o EstaciónTransformadora

Proyección de la Demanda en DistribuciónAjuste Final de Proyecciones

Necesidad de contar con una proyección única de demanda de energía por lo que a partir de los modelos estimados se recomienda la incorporación de una opinión experta e incluir datos puntuales de proyectos especiales.

Predicción de Carga Espacial


Objetivos

Determinar, a partir del mercado global de la región deestudio, e información entregadas por los consumidores, elincremento de la carga en las diferentes cuadriculas queconforman la región, para todos los años del período deestudio.

Posibilitar la obtención de factores de ponderación, porcuadricula y tipo de consumidor. Esto nos muestra loscrecimientos diferenciados en la región.

Posibilidad de identificar consumidores específicos , quepresentan cargas futuras bien definidos.


La determinación del crecimiento de la carga, en una zonageográfica utilizando la metodología pequeñas áreas,se realiza dividiendo el territorio de servicio en pequeñasáreas. Estas áreas podrían ser de forma irregular (áreasde servicio de subestaciones o alimentadores en elsistema) o pueden ser áreas cuadradas definidos por unacuadrícula.


La predicción de carga espacial brinda una serie demapas de carga que representan el pico de demandapor cada área.

Predicción de Carga EspacialPronósticos Escenario múltiple


• Un evento futuro que provoca un cambio en lamagnitudes o lugares de crecimiento se denominahecho causante.

• Existen eventos causales críticos que no se puedepredecir en forma muy fiable.

• En tales situaciones, es recomendable que elplanificador realice previsiones de múltiplesescenarios que cubran la variedad de resultadosposibles.


• El papel de la previsión de múltiples escenario noes predecir qué resultado se va a dar, sino paramostrarle al planificador que podría suceder yproporcionar una base para el análisis de riesgoentre los diferentes escenarios.

• El desafío que enfrenta el planificador esdesarrollar un plan de corto alcance que noarriesgue demasiado tanto en el caso de que unaeventualidad o la otra se produzca.

Mapa de densidades

Confección del Mapa de Densidades

• Se divide la zona geográfica a estudiar en cuadriculas, porejemplo de 500*500 m

• Contando con la información de la demanda de potencia a nivelde cada CT

• Sumando las potencias de los CT que se encuentran en cadacuadricula, obtenemos la potencia coincidente con el pico delsistema de la cuadricula

• Dividiéndola entre el área de la cuadricula, obtenemos losMW/m2 de cada cuadricula

• Se presentan en forma de mapas.

• Es recomendable para la planificación, contar con mapas dedensidades por ejemplo para el año 0, 5 y 10

Previsión de la Demanda en Redes con GD

Previsión de la Demanda en Redes con GD

• Generalmente son Fuentes no Firmes

• Depende del grado de Inserción de la GD(Actualmente prácticamente no afecta demanda enMT ni ST)

• Se detecta en las series históricas, entrada gradual

• Si la fuente de generación no aporta en losperíodos de max demanda y no acumulación, seplanifica sin considerar GD (ej. pico de consumo enla noche, y generación FV, o generación Eólicamáxima en horas del valle)

• Posterga Inversiones

Impactos en la Planificación en las Redes de Distribución de la GD

Impactos en la Planificación en las Redes de Distribución de la GD

• Modificación en la estructura de los SistemasEléctricos. Antes pocos generadores síncronos,ahora estructura con múltiples generadores dediferentes tecnologías

• Desafío para la operación de las redes (TRAS yDIS)

– Cambio en los flujos de potencia

– Nuevos procedimientos de operación (incorporación deGD sin afectar seguridad y confiabilidad del sistema)

EFECTOS TÉCNICOS EN LA RED

• Cambios en los niveles de tensión

• Incremento de Corriente de Falta

• Perdidas Técnicas

• Coordinación de protecciones

• Funcionamiento en isla no-intencional

• Calidad de onda

Planificación en las redes

Planificación en las redes

Software Estudios adicionales Fuente (Potencia Firme) Aseguramiento del servicio

Conclusiones

La Planificacion de las Redes de Distribucion actualincorpora:

• Mayor Informacion disponible para los estudios(Scadas, Medidores Inteligentes, etc)

• Mejores Herramientas de Estudios (Calculos deFlujos de carga con mayor numero de nodos,rapidez de procesamiento, etc)

• Generación Distribuida

• Presupuestos de inversión mas limitados

• Mayores exigencias en de la calidad de servivio

Conclusiones

Logrando:

• Inversiones mas ajustadas a la necesidad

• Optimizacion de Inversiones

• Mejores Niveles de Calidad de Servicio

Preguntas

Planificación clásica de las redes de Distribución y el nuevo entorno

(aumento de variables)

Ing. Tomás Di Lavello

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Costa Rica, Junio 2017



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