Metodología de toma de decisiones basada en mediciones PQ en sistemas eléctricos industriales
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(2) Índice general 1. Introducción. 2. 2. Sags en sistemas eléctricos industriales 2.1. Sags de voltaje: Caracterización . . . . . 2.2. Causas principales . . . . . . . . . . . . 2.3. Efectos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Técnicas y dispositivos de mitigación . . 2.4.1. Red eléctrica robusta . . . . . . . 2.4.2. Dispositivos de mitigación . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. 4 4 5 7 8 9 9. 3. Diseño de metodologı́a de toma de decisiones 3.1. Metodologı́a de toma de decisiones en función del impacto económico de los Sags . . . . 3.2. Diseño de diagrama de influencia para Sags en un sistema industrial . . . . . . . . . . . 3.2.1. Definición e identificación de causas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Caracterización del fenómeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3. Caracterización de efectos en el sistema eléctrico y costos directos . . . . . . . . 3.2.4. Caracterización de efectos en el sistema productivo y análisis de costos asociados 3.2.5. Identificación de decisiones que afecten el comportamiento de modelo y costos asociados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Análisis económico de mitigación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1. Análisis de mitigación preventiva y predictiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2. Análisis de dispositivos de mitigación “Custom power” . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Diagrama de influencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11 11 12 12 13 15 16. 4. Validación de la metodologı́a 4.1. Casos de estudio . . . . . . 4.1.1. SESPLASUR . . . . 4.1.2. SONARPLAS . . . . 4.1.3. LA CIGARRA . . . 4.2. Información para el modelo 4.3. Metodologı́a de evaluación .. propuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. 5. Diseño de herramienta computacional para análisis en 5.1. Concepto general de la herramienta . . . . . . . . . . . . 5.2. Mediciones PQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Evaluación del sistema eléctrico . . . . . . . . . . . . . . 5.4. Cálculo de costos asociados a la interrupción del proceso 5.5. Análisis de costos de mitigación . . . . . . . . . . . . . . 5.6. Diagrama de influencia base . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7. Comportamiento General . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.8. Introducción de evidencia . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17 18 18 20 20. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. 22 22 22 22 23 23 24. real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. 26 26 27 28 29 29 29 30 30. . . . . . .. . . . . . .. 6. Conclusiones. 33. Bibliografı́a. 35 1.
(3) Capı́tulo 1. Introducción La valoración del impacto de los Sags en usuarios industriales ha generado cada vez más interés en el sector eléctrico debido a la constante evolución del mismo, teniendo en cuenta el aumento de las cargas sensibles a perturbaciones de voltaje y otros fenómenos de la calidad de la potencia. Los huecos de tensión son fenómenos muy recurrentes en los sistemas de potencia y sumamente dañinos para los procesos industriales, esto debido al potencial de pérdidas económicas que puede generar y a la dificultad para identificar claramente las causas y consecuencias. Aunque muchos autores e instituciones especializadas han investigado sobre el tema, todavı́a falta un largo camino para lograr una concertación sobre la mejor manera de evaluar un sistema industrial ya que son muchos los factores a tener en cuenta a la hora de caracterizar el comportamiento de una red dado un Sag. Otro gran problema es, que para el caso local, hay muchos obstáculos para un análisis sólido debido a la falta de normatividad clara, estudios completos y a la misma percepción de los usuarios industriales, quienes no están realmente al tanto de las pérdidas que se generan debido a los problemas de la calidad de la potencia. En el presente trabajo se propone una metodologı́a de evaluación de las diferentes alternativas de mitigación de los efectos de los Sags en un sistema eléctrico industrial, haciendo énfasis en las diferentes técnicas empleadas para evitar el impacto directo del fenómeno sobre los procesos industriales en base a diagramas de influencia con el fin de integrar la mayor cantidad posible de información para modelar un sistema robusto y flexible para diferentes alternativas de inversión, casos de estudio y condiciones especı́ficas de acuerdo al contexto para lograr estudiar las posibles decisiones con respecto a la forma de intervenir la red y disminuir las pérdidas económicas generadas por los Sags. El modelo planteado se desarrolla bajo varios supuestos de los sistemas eléctricos basándose en la normatividad referente y las diferentes condiciones que afectan el sistema principalmente tomando como referencia las mediciones de calidad de la potencia como elemento primordial para cualquier estudio. Además se hace especial énfasis en la prevención de fallas siguiendo los lineamientos propuestos por diversas normativas como la IEEE 242, 141, 493 y 3007.2 con el fin de mostrar que un usuario industrial con planes sólidos de mantenimiento puede llegar a reducir notablemente el impacto de los Sags en su sistema. Con el fin de integrar la mayor cantidad de información posible para realizar un análisis sólido de forma práctica y flexible, se desarrolla una herramienta computacional para análisis en tiempo real teniendo en cuenta condiciones propais de las industrias y sus procesos. Se busca adaptar la mayor cantidad de información posible al contexto local teniendo en cuenta que Colombia es un paı́s muy rezagado en normatividad y estudios para identificar los fenómenos de calidad de la potencia en los sistemas eléctricos. En el primer capı́tulo se realiza una revisión bibliográfica sobre las principales caracterı́sticas del fenómeno Sags en sistemas eléctricos industriales exponiendo las diferentes causas y efectos. Se plantea un diagrama causa - efecto que permite la identificación de la dinámica de forma más clara y se establecen los primeros lineamientos sobre las diferentes técnicas de mitigación preventiva y Custom Power. Aunque no se abarco todo el marco teórico en este capı́tulo la mayorı́a de conceptos más importantes sobre la evaluación del impacto de los Sags se realiza a lo largo de los siguientes capı́tulos como sustento de la información propuesta y empleada en el desarrollo de los modelos de análisis. En el segundo capı́tulo se realiza el diseño detallado de la metodologı́a de toma de decisiones mediante la identificación concreta de sus principales etapas ası́ como la determinación de las relaciones causales entre los diferentes componentes del diagrama de influencia basándose en información de 2.
(4) experiencias y estudios realizados por expertos en el área e instituciones que han dedicado mucho esfuerzo en buscar la caracterización de los fenómenos de calidad de la potencia y su impacto en los usuarios. Una parte muy importante de los diagramas de influencia son las funciones de utilidad por lo que se expone la metodologı́a tomada para realizar la estimación de las pérdidas económicas debido a los Sags y se realiza un análisis comparativo entre las diferentes técnicas de mitigación enfocándose en las diferentes ventajas y desventajas que cada una presenta. En el tercer capı́tulo se implementa la metodologı́a con el fin de evaluar tres industrias Colombianas y analizar las mejores decisiones que se podrı́an tomar en términos económicos teniendo como herramientas de evaluación el Valor Presente Neto y la Tasa Interna de Retorno a la hora de implementar proyectos para mitigar el efecto de los Sags y concluyendo que es mejor intervenir el sistema que esperar la ocurrencia de un Sag que pueda poner en riesgo un proceso de producción. En el cuarto capı́tulo se presenta el diseño de una herramienta computacional cuya finalidad es analizar la ocurrencia de un Sag desde el punto de vista económico incluyendo la mayor cantidad de información y supuestos posibles de una forma robusta y flexible a adaptarse a diferentes escenarios y en especial tomando como punto de partida las mediciones PQ en tiempo real que son la mejor herramienta para diagnosticar un sistema eléctrico y elaborar conclusiones apropiadas para cada caso de estudio.. 3.
(5) Capı́tulo 2. Sags en sistemas eléctricos industriales 2.1.. Sags de voltaje: Caracterización. En esta sección se presenta una revisión bibliográfica del fenómeno electromagnético Sags desde el punto de vista de usuarios eléctricos industriales. Principalmente, se expone un marco teórico para caracterizar los Sags y el establecimiento de las causas y consecuencias teniendo en cuenta los factores que amplifican o minimizan la incidencia de un Sags como es la sensibilidad de las cargas o los dispositivos de mitigación. Un Sag o un Dip de voltaje es una reducción del voltaje RMS por debajo de cierto umbral el cual comúnmente es entre 0.8p.u. a 0.9p.u., valor que por lo general va ligado a la regulación sobre perfiles de voltaje. Posteriormente el valor RMS se restablece a la tensión nominal de estado estable después de determinado tiempo. Un Sag está compuesto por dos parámetros esenciales que describen su comportamiento: magnitud y duración.. Figura 2.1: Caracterı́sticas de un Sag, adaptado de [1] La magnitud de un Sag es la diferencia entre el voltaje de referencia y el voltaje residual, es decir hasta qué punto cae el valor RMS de la señal. La duración del Sag es el tiempo durante el cual el voltaje es menor al umbral. Generalmente los Sags ocurren debido a fallas en el sistema de potencia por lo tanto sus parámetros en muchos casos dependen del comportamiento de la falla, la distancia a la cual ocurre del punto de interés, el tiempo que le toma al sistema despejar la falla, entre otros. Duración[1]: La duración de un Sag, en el caso de una falla como principal fuente del fenómeno, está determinada por el tiempo que le toma al sistema de protecciones aislar una falla del sistema de potencia. Esto quiere decir el tiempo de ocurrencia de un Sag está dado por las caracterı́sticas de los fusibles, interruptores, relés y otros dispositivos similares. Para los sistemas de distribución, generalmente el tiempo que toma aislar una falla es mucho mayor que en el sistema de transmisión. Para otras fuentes de Sags como arranque de grandes cargas la duración está determinada por el tiempo que le toma a la máquina recuperar el voltaje de alimentación por lo que depende de las corrientes de “inrush” y su peso dentro de un sistema industrial. 4.
(6) Magnitud [1][2]: La magnitud de un Sag, o la tensión a la cual cae un determinado nodo o subsistema dependen en primer lugar de la distancia a la cual ocurre la falla ya que de ésta se determina la impedancia equivalente y por lo tanto, la magnitud de tensión en uno o varios puntos del sistema. Entre más cerca ocurra la falla menor será la tensión, lo contrario sucede si la falla (o el Sag) es distante u ocurre cerca de una fuente de energı́a (generador, banco de almacenamiento, capacitores). El área sobre la cual una falla produce un Sag de determinada magnitud está ligada al sistema de potencia y a su impedancia, mientras una falla en el sistema de transmisión puede producir un efecto Sag en un amplio radio de distancia, una falla en el sistema de distribución tiene menos campo de incidencia y una falla en la red interna de un usuario afectarı́a principalmente a sus vecinos pero podrı́a propagarse únicamente a sus inmediaciones. Por otra parte los Sags pueden ser caracterizados de acuerdo al tipo de falla. Bollen[2] desarrolla una categorización de los Sags en términos de sus componentes de secuencia dependiendo del tipo de falla con el fin de determinar el valor de la tensión y fase de las fases del sistema discriminando los Sags en 7 categorı́as desde Sag tipo A hasta Sag tipo G.. Cuadro 2.1: Tipo de Sags dependiendo del tipo de falla, basada en [1][2][3] Teniendo en cuenta lo anterior, el tipo de Sag está ligado al tipo de falla generada de acuerdo a sus componentes fasoriales por lo tanto hay otro factor muy importante a la hora de realizar una análisis y es la conexión del transformador ya que las señales son transformadas al pasar por el mismo debido a los desbalances de tensión o al desplazamiento de fase.. 2.2.. Causas principales. La principal causa de los Sags de tensión son las fallas del sistema de potencia. Los corto circuitos causan corrientes muy elevadas de manera que hay gran caı́da de tensión a lo lardo de las impedancias del sistema de suministro. Existen muchas causas para las fallas del sistema de potencia las cuales van desde accidentes hasta fallas del aislamiento debido a descargas atmosféricas o maniobras de conmutación[1]. En general las fallas hacen parte del diseño y operación del sistema de potencia debido a su alta tasa de frecuencia e incidencia en las redes eléctricas[4]. Muchas causas de Sags y en general de problemas de las redes eléctricas son la mala calidad de una instalación ya sea por mal diseño o por desgaste. Esto puede acarrear que aparezcan conexiones 5.
(7) Cuadro 2.2: Tensiones en el secundario de transformador debido a falla monofásica, tomado de[3] intermitentes que puedan generar posibles cortos o interrupciones en el sistema. Una causa común de Sags en un alimentador de una red de distribución, por lo tanto en los sistemas conectados a este, son las fallas en alimentadores paralelos. Una vez el paralelo entra el corto, la coordinación de protecciones entra en acción con el fin aislar la falla, esto puede tomar cierto tiempo entre 12 ciclos y 5 segundos de tal forma que se genera una caı́da de tensión en el alimentador bajo estudio[3]. El estándar IEEE 493-2007 (Goldbook) hace especial énfasis en las fallas de las lı́neas debido a su gran incidencia en el sistema y por lo tanto en la generación de Sags. La magnitud de un Sag puede variar dependiendo de parámetros como la impedancia del sistema, el nivel de corto circuito, el voltaje pre-falla y la conexión de los transformadores que influyen en las componentes simétricas del sistema eléctrico, en ésta misma norma se presentan métodos para determinar la magnitud de un Sag dependiendo de la incidencia de una falla basándose en modelos estocásticos o determinı́sticos para analizar este fenómeno[5]. Por lo tanto el impacto de una falla en términos de los Sags que puedan ocurrir puede ser determinada mediante una región de vulnerabilidad como es propuesta en[3], en ı́ndices o modelos estocásticos para la predicción y estudio de fallas en determinados puntos de interés[5][6]. Un estudio sobre las fallas presentes en un sistema puede dar una buena aproximación del comportamiento de los Sags.. Figura 2.2: Fallas como causa de Sags, basado en IEEE 493 e IEEE 3007.2 Otras causas muy importantes de la ocurrencia de Sags son la conexión de cargas significativas en términos de potencia y su peso en el sistema, y el arranque de máquinas de alta potencia como grandes motores u hornos de arco que inducen corrientes elevadas generando un comportamiento similar al de las fallas de tal forma que conllevan a una caı́da de tensión a lo largo del sistema[1].. 6.
(8) Figura 2.3: Sag causado por el arranque de un motor, tomado de[1] Las causas de un Sag pueden depender tanto de la red de suministro (Externas) como de la red eléctrica local o propia (internas). Esto es muy importante en términos de las técnicas de mitigación a emplear y el impacto ya que la responsabilidad puede recaer sobre el operador de red, el usuario industrial u otro usuario conectado a la misma red. Para el estudio de la calidad de la potencia relacionada a los Sags en un determinado usuario industrial se cuentan las causas externas como las que están asociadas a la red de distribución, transmisión, generación u otros usuarios[4][5]. A continuación se presenta un diagrama causa-efecto para el fenómeno Sag en el caso de usuarios eléctricos industriales con el fin de identificar de forma general el comportamiento de un sistema bajo la incidencia de dicho fenómeno.. Figura 2.4: Diagrama causa efecto para fenómeno Sags. 2.3.. Efectos. Los efectos concretos de un Sag generalmente varı́an dependiendo de la carga o componente en términos de la sensibilidad a una caı́da de tensión. Dicha sensibilidad está dada por su fabricación y 7.
(9) funcionamiento, es decir por las especificaciones de cada carga y sus requerimientos de alimentación. Los efectos más comunes de los Sags se observan en equipamiento electrónico y componentes semiconductores debido a su operación a baja tensión. Esto puede llevar a que se presente funcionamiento inadecuado o daños en los sistemas electrónicos. Entre los posibles resultados de un funcionamiento erróneo de los equipos son la pérdida de información de memorias volátiles, el reinicio de computadores, la desconfiguración de equipos sincronizados o de monitoreo y control, la pérdida de información o enlace de equipos de comunicación, inclusive en algunos casos se puede presentar daño crı́tico de ciertos dispositivos [7][8][9]. Además de los equipos electrónicos, también se presentan efectos negativos de los Sags en dispositivos de potencia como contactores, variadores de velocidad, transformadores, entre otros lo que no solo produce activación de protecciones o reinicio del sistema, en algunos casos se observan fenómenos transitorios debido a respuestas de recuperación[10][11][12]. Por otra parte, una consecuencia muy importante es que un Sag puede resultar en problemas como las interrupciones temporales o variaciones de tensión de larga duración debido a las protecciones o a fallas en la operación de los sistemas[1]. Lo anterior también se traduce en que al producirse un Sag puede que en algunos dispositivos se observe un Sag mientras que en otros se observe una interrupción. Un ejemplo es cuando un Sag afecta un contactor de manera que este se abre, el motor observará una interrupción[4].. 2.4.. Técnicas y dispositivos de mitigación. La mitigación de los Sags[1] en un sistema industrial se basa en las acciones que puede tomar el usuario dependiendo de qué tan crı́ticos son sus procesos a la ocurrencia de un Sag, es decir, si es conveniente o no. Si bien el operador de red está obligado a garantizar una buena calidad de la potencia, dichos lı́mites regulatorios pueden no ser suficientes para un tipo de industria determinado o el operador puede no siempre cumplir con los lı́mites.. Cuadro 2.3: Mitigación de Sags Es importante determinar hasta qué punto el usuario puede resolver o evitar los problemas asociados a los Sags, es decir qué acciones puede tomar directamente de tal forma que pueda minimizar la incidencia o el efecto negativo de un Sag que afecte el sistema industrial. Como se muestra en la tabla 2.3, las posibilidades del usuario industrial están ligadas a tres campos importantes: su propio sistema eléctrico lo cual se refiere muchas veces al diseño o modificación del mismo, el nivel de inmunidad de los equipos que se adquiere y los sistemas dedicados a mitigar el efecto de los Sags. A continuación se hace un recuento de las posibilidades a las cuales está ligado un usuario.. 8.
(10) 2.4.1.. Red eléctrica robusta. La calidad de la instalación eléctrica ası́ como su estructura son fundamentales en la incidencia de fallas en el sistema y la capacidad del mismo a aislarlas de manera adecuada (coordinada y rápida). La calidad del sistema no solo se basa en la robustez del diseño ligado generalmente a su estructura (radial, redundante, entre otros) sino en la calidad de la implementación del mismo. Factores como la degradación de los componentes o la falta de supervisión puede aumentar el riesgo de que se presenten fallas en el sistema[2]. Por otra parte, el diseño y modificación del sistema también influyen notablemente en la exposición a las perturbaciones de tipo Sag. Los conductores desnudos, un sistema de apantallamiento deficiente, niveles bajos de aislamiento, entre otros aumentan la posibilidad de que una falla ocurra en el sistema sin embargo esto no quiere decir que los diseños no se hayan hecho de acuerdo a normatividades y estándares [13][14][14][15]. Reducción de número de fallas La reducción del número de fallas para un usuario industrial está ligada a la estructura y estado del sistema eléctrico propio debido a la incapacidad de modificar el sistema de distribución teniendo en cuenta lo propuesto en la tabla 3. Desde este punto de vista la reducción del número de fallas está ligada a acciones preventivas como son aumentar los controles de mantenimiento del sistema, remplazar conductores aéreos y desnudos por subterráneos, monitorear los sistemas de apantallamiento y puesta a tierra o hacer normas y protocolos de seguridad más estrictas para evitar fallas causadas por error humano, vegetación o fauna presente en la instalación. Claramente la reducción de número de fallas está relacionada con un sistema eléctrico robusto y se puede decir que la prevención es una vı́a clave para mantener altos los niveles de calidad de la potencia no sólo para el fenómeno de Sags. Reducción de tiempo de despeje de fallas Esta técnica de mitigación se basa principalmente en el sistema de protecciones del sistema, en la mayorı́a de los casos depende del operador de red pero en sistemas industriales grandes que cuentan con sistemas de respaldo o topologı́a que permite suplir cargas a través de más de un alimentador depende de la velocidad de accionamiento de los sistemas de protección que realizan operaciones de conexión (o desconexión) que logran aislar la falla.. 2.4.2.. Dispositivos de mitigación. Muchas compañı́as de sistemas eléctricos y dispositivos de potencia ofrecen una amplia gama de soluciones basadas en dispositivos y máquinas como generadores de respaldo, conversores de voltaje, reguladores de tensión, sistemas de almacenamiento de energı́a, entre otros. Generalmente los dispositivos basados en almacenamiento de energı́a y electrónica de potencia son clasificados dentro del término “Custom Power”. A continuación se presenta una explicación de las soluciones más comunes y disponibles en el mercado. “Flywheel” o motor-generador: Se trata de una combinación motor-generador (M/G) que puede proteger procesos crı́ticos contra la ocurrencia de un Sag cuando la duración del mismo es menor al tiempo de espera de la M/G que significa el tiempo que le toma a la máquina reducir gradualmente su rotación a medida que alimenta la carga[1]. El motor-generador se basa entonces en los principios de inercia para seguir supliendo energı́a durante algunos segundos en caso de que se presente un Sag. Claramente al ser una máquina eléctrica presenta pérdidas sin embargo estas son similares a máquinas equivalentes como motores de inducción. Entre las desventajas se encuentran el ruido y el mantenimiento y además durante un Sag la frecuencia y la tensión en el punto crı́tico disminuyen con la rotación del M/G sin embargo hay modificaciones a este sistema que permiten mantener la frecuencia o con variadores de velocidad, claramente eso incrementa los costos y pérdidas[3]. UPS: Las UPS se basan en mantener la alimentación constante durante alguna perturbación mediante dispositivos de electrónica de potencia. La UPS está conectada entre la red de alimentación y la carga a proteger mediante conversores AC/DC/AC. Entre los conversores hay algún tipo de almacenamiento de energı́a de forma que el inversor continúe suministrando la energı́a de la misma. Claramente la capacidad suplir energı́a durante un Sag de una UPS está ligada a su capacidad de almacenar energı́a 9.
(11) mediante bancos de baterı́as lo cual, además de la electrónica de potencia, incrementa notablemente los costos por kVA. Este tipo de configuración mediante el cual la carga está alimentada a través de la UPS puede aumentar las pérdidas por lo que existen otros tipos de UPS (Standby) las cuales mediante un interruptor de transferencia transfiere la carga a la UPS cuando se detecta una perturbación. En este caso los interruptores son crı́ticos para garantizar una velocidad de transferencia eficaz [2][3].. Figura 2.5: Diagrama causa efecto para fenómeno Sags DVR: Los DVR (Dynamic voltaje restorer) es un sistema conectado en serie con la carga que se quiere proteger. Se trata de un dispositivo de electrónica de potencia capaz de calcular la parte faltante de la onda de voltaje y corregirla mediante algún tipo de almacenamiento de energı́a en el enlace DC por lo que su costo nuevamente recae en gran parte en el tipo de almacenamiento ya sean capacitores o baterı́as. Una gran ventaja de este dispositivo es que puede compensar potencia reactiva. STATCOM: Un STATCOM es un compensador, conectado en paralelo con la carga, de potencia reactiva que inyecta corriente al sistema que mitiga los Sags mediante la inyección de potencia reactiva. Se puede complementar con la adición de un sistema de almacenamiento de energı́a lo que evidentemente incrementa costos. Una gran ventaja es la capacidad de compensar potencia reactiva, una de sus principales desventajas es el hecho de que genera armónicos lo que demanda instalación de filtros.. Figura 2.6: Diagrama causa efecto para fenómeno Sags Existen otras soluciones que se fundamentan en muchos de los principios mencionados anteriormente o que son variaciones más sofisticadas de los mismos como la compensación en serie sin transformador, compensación serie/paralelo, entre otros. Los generadores sincrónicos evidentemente también es una solución cuando se requiere un gran nivel de protección. Claramente el costo es una variable supremamente importante como se analizará más adelante. Las soluciones para mitigar Sags también se basan en la cantidad de carga a proteger en términos de potencia por lo tanto hay soluciones que aplican a un nivel “global” de la instalación que permite proteger grandes cargas o gran parte del sistema ası́ como también existen soluciones de algunos kVAs para proteger cargas especı́ficas como computadores o controladores.. 10.
(12) Capı́tulo 3. Diseño de metodologı́a de toma de decisiones Se propone el diseño detallado de una metodologı́a de evaluación económica en función de posibles costos incurridos debido a la presencia de Sags con el fin de realizar un análisis comparativo entre implementar o no medidas de mitigación teniendo en cuenta elementos claves en el modelamiento general de los sistemas eléctricos industriales y la dinámica cliente-proveedor de acuerdo con las redes de creencia. En esta sección expone el análisis económico de la ocurrencia de un Sag desde el punto de vista de un usuario eléctrico industrial haciendo un estudio de las variables involucradas que determinan el nivel de impacto en los procesos teniendo en cuenta los tipos de estudios que se pueden realizar para obtener información adecuada para el estudio. Además de los efectos directos en la producción, se expone la evaluación de las técnicas de mitigación existentes ası́ como la profundización en el mantenimiento preventivo y predictivo como herramientas fundamentales para mejorar notablemente los niveles de calidad de la potencia de cualquier usuario.. 3.1.. Metodologı́a de toma de decisiones en función del impacto económico de los Sags. El impacto económico de un Sag en los niveles del sistema de potencia ha sido ampliamente estudiado por diferentes autores mediante diferentes técnicas de evaluación y metodologı́as de estimación de impacto/pérdidas[16][17][18] ası́ como el análisis de los costos que implica tomar decisiones de inversión de determinadas técnicas y dispositivos de mitigación disponibles en el mercado[19][20][21]. El interés en analizar los costos asociados a este fenómeno se da debido a que, como ya se ha mencionado anteriormente, el impacto de un Sag en la integridad de los equipos y especialmente en los procesos de un usuario industrial puede llegar a ser altamente nocivo en la productividad. Estimar el costo económico de un Sag para un sistema industrial ha sido una extensa labor de investigación por parte de muchos autores debido a que depende del tipo de industria, dispositivos utilizados, los procesos empleados, los costos de producción propios, los contratos existentes, entre otros. Para llevar a cabo la caracterización general se han implementado diversas encuestas tanto por entidades regulatorias como por entidades privadas, instituciones de investigación, gremios industriales, entre otros [22]- [4], [19]. Teniendo en cuenta el trabajo realizado por diferentes autores y basándose en los casos de aplicación en sistemas industriales reales se puede identificar que hay un alto grado de dificultad al tratar de integrar todas las herramientas de tal forma que se pueda modelar la dinámica de un sistema eléctrico industrial de manera más concreta en función de la experiencia e información disponible a partir de las causas y efectos de un Sag están ligados al comportamiento especı́fico de una red.. 11.
(13) 3.2.. Diseño de diagrama de influencia para Sags en un sistema industrial. Para abarcar los problemas anteriormente mencionados basándose en un gran espectro de información compuesta por normatividad, conocimiento de expertos, literatura y suposiciones contextuales que se expondrán a lo largo del desarrollo; se propone la estructuración de un diagrama de influencia que a su vez aporte la flexibilidad adecuada para adaptarse a diferentes entornos y requerimientos. Un diagrama de influencia es una red probabilı́stica que integra variables de decisión con el fin de evaluar una variable de desempeño que generalmente representa costos[23]. Mediante las decisiones tomadas se influencia las probabilidades de la red de tal forma que se afecte el comportamiento del sistema y que cada decisión represente un valor esperado de la variable de desempeño con el fin de hacer una comparación y tener una herramienta sustentada en la decisión que produzca la mayor salida (la mayor utilidad o el menor costo). Antes de proceder a establecer los compontes individuales que conformarán dicho diagrama se propone la identificación de las secciones claves de la red que reúnen varios nodos de manera que describan un comportamiento especı́fico o que actúen como sistemas individuales que interactúan entre sı́ con el fin de especificar sus requerimientos y lograr más detalle y objetividad. La determinación de las partes depende se explica a continuación:. 3.2.1.. Definición e identificación de causas. Esta sección se basa en caracterizar plenamente las causas de un Sag en el punto de interés. Basándose en el diagrama causa-efecto propuesto en la figura 2.4 y en la bibliografı́a. Esto supone la necesidad de contar con información sobre las fallas presentadas en la red de distribución1 , información sobre las maniobras de operación efectuadas por el operador de red y tipos de cargas existentes en el mismo circuito de distribución que pueda aportar información sobre posibles fuentes de Sags. Lo anterior genera una serie de problemas desde la perspectiva del cliente debido a su limitaciones técnicas y de información. Un usuario industrial no está en capacidad de efectuar un análisis extenso y minucioso del sistema de distribución para analizar la incidencia de fallas y su comportamiento en la red. Dicha tarea le deberı́a corresponder al operador de red sin embargo los estudios realizados no aportan la información suficiente o en algunos casos son inexistentes. La información que un usuario puede conocer de las maniobras efectuadas en el sistema de distribución es muy limitada o nula debido a las causas expuestas en el ı́tem anterior o debido a que la automatización de las redes conlleva a que su operación sea automática dependiendo de los requerimientos del operador de red. Al igual que en los anteriores ı́tems, la falta de información con respecto a las cargas de otros usuarios conectados al mismo punto y su operación puede ser nula o requerir muchos recursos para obtenerla. Lo anterior expone el hecho de que determinar y describir las fallas y otras causas de Sags en un punto especı́fico no es una tarea sencilla por lo tanto muchos autores proponen recopilar la mayor cantidad de información disponible incluyendo los antecedentes externos (encuestas y estudios) sin embargo el principal problema es que para el caso local la comparación con otros sistemas puede ser inadecuada. La manera más acertada de obtener la información necesaria es mediante la realización de mediciones lo cual, como se mencionará posteriormente, gracias al monitoreo de fenómenos de perturbaciones PQ se podrı́a obtener caracterı́sticas especı́ficas de los eventos. Para la identificación de las causas y la manera en cómo estas determinan la ocurrencia de un Sag se emplean datos tomados de [24] que describe la probabilidad de cada causa dado un fenómeno sin embargo se propone una modificación en función de la información de las encuestas realizadas por EPRI [25] y [22] con el fin de hacer énfasis en la responsabilidad de los propios usuarios con el fin de analizar posteriormente la influencia de la mitigación preventiva como fórmula eficiente por parte del usuario de disminución de fallas por lo tanto una posible disminución de Sags. 1 Dicha información se compone por tipo de fallas presentes, probabilidad de ocurrencia, distancia de la falla al punto de interés, topologı́a de la red, causas de fallas.. 12.
(14) Teniendo en cuenta las causas comunes de falla en un sistema se puede estimar el tipo de falla producida con el fin de proceder a identificar el tipo de Sag de acuerdo a la clasificación de la tabla 2.1. Causa Descargas atmosféricas Causas internas Infraestructura Viento Accidentes Animales Árboles Vandalismo. probabilidad 25.9 % 50 % 6.7 % 5.2 % 6.7 % 4.2 % 0.8 % 0.5 %. Monofásica 79 % 45 % 85 % 8% 33 % 45 % 83 % 33 %. Bifásica 0% 45 % 10 % 90 % 33 % 45 % 15 % 33 %. Trifásica 21 % 10 % 5% 2% 33 % 10 % 2% 33 %. Cuadro 3.1: Causas de fallas y probabilidad de tipo de falla, basado en [24][25][3] Una vez identificadas las causas más comunes de falla en un sistema eléctrico es posible establecer relaciones con respecto al tipo de falla, como se puede observar en la tabla 3.1y a la ubicación de la misma. Un ejemplo es que generalmente las causas bifásicas en una lı́nea de transmisión están dadas por efecto del viento ya que la mecánica del fenómeno produce desplazamiento de las lı́neas. Por Otro ejemplo es que las fallas monofásicas están determinadas generalmente por corto circuitos de equipos o por árboles que hacen contacto con las lı́neas. Con respecto a la ubicación de las fallas con respecto al usuario también se tienen varios ejemplos como es el caso de que una falla debido a una descarga es más probable que se presente en el sistema de distribución que en el de transmisión debido a la carencia de cable de guarda del primero. Estas deducciones están basadas en una extensa revisión bibliográfica y en información aportada por expertos. Como se puede observar en la tabla 3.2, se propone una clasificación de 4 ubicaciones de las fallas: 1. Local: Hace referencia a un alto grado de cercanı́a al usuario, posiblemente debido a fallas internas o en el alimentador que suple a dicho usuario. 2. Distribución cercano: Son las fallas producidas en el mismo circuito de distribución, en ramales del alimentador o en alimentadores en paralelo. 3. Distribución lejano: Son las fallas producidas en el resto de la red de distribución. 4. Transmisión: Son las fallas en lı́neas a subestaciones de transmisión que alimentan la red de distribución a la cual el usuario está conectado. Evidentemente el nivel local y de distribución cercano son crı́ticas debido a las bajas tensiones de Sag y a que pueden derivar en interrupciones de la alimentación. Ubicación Local DisC DisD Trans. Descargas 0.15 % 0.5 % 0.3 % 0.05 %. Internas 0.55 % 0.45 % 0.0 % 0.0 %. Infraestructura 0.3 % 0.3 % 0.3 % 0.1 %. Viento 0.1 % 0.27 % 0.36 % 0.27 %. Accidentes 0.25 % 0.35 % 0.25 % 0.15 %. Animales 0.15 % 0.35 % 0.35 % 0.15 %. Árboles 0.01 % 0.4 % 0.04 % 0.19 %. Vandalismo 0.1 % 0.4 % 0.4 % 0.1 %. Cuadro 3.2: Ubicación de la falla con respecto al usuario. 3.2.2.. Caracterización del fenómeno. En esta etapa se busca determinar el comportamiento especı́fico de los Sags que ocurren en el sistema en términos de Magnitud, duración y tipo de Sag. Dicho comportamiento es determinado por el tipo de condiciones de falla presentes es decir a partir de la información descrita en la anterior sección. Magnitud Al igual que en la anterior sección, no es fácil predecir las caracterı́sticas del fenómeno en términos de magnitud por lo que el monitoreo es la mejor herramienta a la hora de analizar las perturbaciones 13.
(15) electromagnéticas. Muchos autores han propuesto utilizar ı́ndices para clasificar los Sags según su duración y magnitud en un punto especı́fico. Esto trae consigo ciertas ventajas importantes: Adaptar la información a ı́ndices de calidad de manera que el estudio sea más estandarizado por lo tanto más sencillo de evaluar desde el punto de vista cliente-proveedor. Obtener información concreta para un punto especı́fico de manera que se pueda realizar un análisis inicial que permita comparar la información con las curvas normativas (ITIC-CBEMA, Semi F47). Disponer de información sólida recopilada mediante el monitoreo siguiendo prácticas recomendadas (IEEE1159). Evidentemente lo anterior representa un gran problema cuando no hay ninguna regulación al respecto como es el caso Colombiano. Teniendo en cuenta los esfuerzos realizados en la construcción de la norma IEEE P1564, las recomendaciones encontrada en la literatura especializada y expertos en el área de la calidad de la potencia [26][27][28][29] es posible identificar una preferencia por el uso del ı́ndice SARF IX el cuál se basa en el número de eventos (Sags) por debajo del umbral de tensión “x”. Por otra parte existe el ı́ndice SARF IIT IC que identifica el número de eventos que violan los lı́mites establecidos por la curva ITIC que presenta ciertas caracterı́sticas nombradas a continuación: Este resulta ser un ı́ndice mucho más especı́fico debido a que únicamente tiene en cuenta eventos que realmente representan un peligro para el funcionamiento de los dispositivos. Reduce la cantidad de información necesaria para establecer los indicadores al obviar de datos fuera de los rangos establecidos. Un factor de riesgo al emplear este ı́ndice es que muchos equipos debido a su uso y deterioro pueden no ajustarse a la curva ITIC por lo que la supervisión de los equipos es importante. También es importante tener en cuenta que muchos equipos pueden estar fabricados siguiendo las recomendaciones de otra curva como la Semi F47. Ahorrarı́a determinar la duración de los fenómenos de forma independiente sin embargo no hay estudios realizados con respecto a esta clasificación. Para este estudio se propone la utilización del ı́ndice SARF IX debido a la amplia información disponible en encuestas realizadas por varias organizaciones [30][31][25] siendo la más representativa el esfuerzo realizado por la EPRI en su proyecto DPQ[32] que a su vez ha sido una importante fuente de información para la elaboración del estándar IEEE P1564. Lo anterior con el fin de poder realizar una aproximación de la probabilidad de que un Sag esté en un determinado intervalo del ı́ndice en términos de evidencia de la red bayesiana. Por lo tanto se tiene la siguiente información: SARF I90 SARF I80 SARF I70 SARF I40 SARF I10. Fuente 1 48,51 % 24,75 % 15,87 % 7,69 % 3,19 %. Fuente 2 41,58 % 21,78 % 18,81 % 12,87 % 4,95 %. Fuente 3 43,79 % 24,05 % 15,59 % 12,51 % 4,05 %. Fuente 4 47,83 % 23,65 % 12,70 % 8,35 % 7,48 %. Promedio 45,43 % 23,56 % 15,74 % 10,35 % 4,92 %. Cuadro 3.3: Clasificación de sags, duración menor a 100ms, basado en [30][31][32] Duración La duración del fenómeno se debe a muchos factores siendo los más importantes el tiempo de arco eléctrico y el tiempo de despeje de falla determinado por las protecciones, por esta razón se puede estimar esta información de acuerdo con la ubicación de la falla y a la causa de la misma. La clasificación se realiza en términos de la curva ITIC de la siguiente manera: 1. Instantánea: Eventos con duración menor a 20ms 2. Momentánea: Eventos con duración mayor a 20ms y menor a 0.5s 3. Prolongada: Eventos con duración mayor a 0.5s y menor a 1 minuto (Norma IEEE 1159) 14.
(16) Tipo de Sag El tipo de sag es determinado sobre la base de la información propuesta en [24]. Este parámetro es muy importante debido a que su impacto en las cargas varı́a dependiendo de las fases de conexión y al desbalance presentado. Como se menciona en el anterior capı́tulo los Sags están clasificados de A hasta F sin embargo muchos autores proponen[33][34][24] la aproximación a sags tipo A, C y D debido a que al pasar por las conexiones de los transformadores estos tres tipos son los más frecuentes. Tipo de Sag A C D. SLG 0.0 % 68.9 % 31.1 %. LL 0.0 % 47.7 % 52.3 %. 3F 100 % 0.0 % 0.0 %. Cuadro 3.4: Tipos de Sags de acuerdo a tipo de falla. 3.2.3.. Caracterización de efectos en el sistema eléctrico y costos directos. En esta sección se busca determinar la probabilidad de que un dispositivo determinado falle bajo la ocurrencia de un Sag con determinadas caracterı́sticas teniendo en cuenta el tipo de carga presente en el sistema. La reacción de cada carga frente a un Sag depende de los siguientes factores principales: 1. Las caracterı́sticas especı́ficas de un Sag: Un Sag tipo A tiene un efecto mayor sobre cargas trifásicas mientras que un Sag tipo C tiene un efecto mayor sobre cargas monofásicas. Por otra parte cargas como los dispositivos semiconductores son mucho más sensibles que otras como motores de inducción. 2. Las caracterı́sticas especı́ficas de la carga: Hace referencia al nivel de inmunidad otorgado por el fabricante. En principio un buen diseño debe cumplir, por ejemplo, con la curva ITIC. Sin embargo el desgaste del equipo puede afectar la respuesta frente a un Sag. 3. Cargas como los variadores aunque no son muy sensibles directamente a fallas monofásicas el sistema de protección hace que después de cierto tiempo de detectar un desbalance desconecte el sistema. 4. Fallas monofásicas y bifásicas severas pueden hacer desbalancear el sistema de tal forma que las tensiones LL caigan drásticamente. Con respecto a los costos directos se busca determinar los costos incurridos debido a que, dado un Sag, muchos dispositivos en algunos casos crı́ticos el sistema puede sufrir un daño fı́sico que implique una reparación o remplazo del mismo. Aunque para los Sags no es muy común este fenómeno, se pueden presentar transitorios o corrientes elevadas que pueden resultar dañias para componentes sensibles.. Figura 3.1: Ejemplo de caracterización de efectos en el sistema eléctrico Inicialmente para el modelo se plantean confiabilidades y eficiencias de 95 % para todos los equipos lo cual corresponde a sistemas con altos estándares de calidad (y costo elevado). Posteriormente se busca detrminar la interrupción del proceso debido a una falla ocurrida en alguna de los dispositivos eléctricos y electrónicos que lo componen. En términos generales una lı́nea de producción es secuencial por lo tanto se puede esperar que si falla un equipo se detenga todo el proceso aunque es importante notar que hay muchos casos en donde lo anterior no es cierto por lo tanto es necesario determinar el tipo de industria analizada [34]. 15.
(17) Asumiendo que el proceso es en serie, se puede modelar el comportamiento como una “Noisy OR”es decir un comportamiento lógico de tipo “OR”en donde no es completamente determinı́stico y que se espera cierto margen de probabilidad de que dada una falla en cualquier elemento el proceso no se detenga. Esto es cuando un sistema logra superar una falla rápidamente o su reinicio es breve. Para el modelo propuesto se incluye la influencia de la falla en sistemas electrónicos que no son controladores debido a que en muchos casos el proceso se puede ver afectado debido a fallas en sistemas externos al mismo.. 3.2.4.. Caracterización de efectos en el sistema productivo y análisis de costos asociados. En esta sección se busca identificar cómo se ve afectado un proceso o un conjunto de procesos debido a una falla de sus equipos y sistemas eléctricos de manera que se pueda identificar los costos en los cuales se incurre. No es una tarea fácil determinar el grado de afectación en el proceso productivo como tal sin hacer una caracterización del esquema de producción industrial del cliente. La Iniciativa “Leonardo Energy”[35] presenta un documento en el cual se propone una metodologı́a de evaluación del impacto económico a nivel de procesos la cual es desglosado en diferentes categorı́as con el fin de lograr obtener información más precisa[35] . A continuación se presenta una descripción de dichas categorı́as que abarcan una gran cantidad de posibles costos incurridos debido a la ocurrencia de un Sag. Interrupción trabajo en proceso: Esta categorı́a hace referencia al trabajo perdido o desperdiciado debido a un Sag de tensión en el sistema. En muchos tipos de industrial cuando un proceso se está realizando y se presenta una interrupción se incurre en daño o pérdida de materiales, productos imperfectos, desperdicio de energı́a y en costos de compra de material nuevo. Mano de obra: El costo de la mano de obra ociosa debido a la interrupción de un proceso es significativo en términos económicos para una industrial desde el momento que la actividad se detiene hasta que se reanuda. En esta rúbrica se debe tener en cuenta si la mano de obra puede ser reasignada en otra tarea. Ralentización del proceso: El hecho de que un proceso baje su tiempo determinado de producción influye tanto en su propia lı́nea como en procesos paralelos y complementarios para completar el producto o servicio. Esta categorı́a se puede tratar como pérdida de eficiencia de un proceso debido a las limitaciones en velocidad y capacidad ası́ como el incremento de costos de mano de obra, gestión y energı́a. Reinicio de proceso: En este caso, el cual va ligado a la interrupción de un proceso, se incluyen los costos de reiniciar dicho proceso teniendo en cuenta los materiales, procesos diferentes, revisiones y mano de obra requerida para tal fin. Equipo: Esta categorı́a se basa en el daño que puedan sufrir los equipos ya sea permanente o parcial, generalmente correspondiente a elementos de sistemas eléctricos como transformadores, motores, conductores, controles, luminarias, etc. Se incluyen los costos incurridos dependiendo del daño por lo tanto estos son: remplazo total, remplazo de componentes, instalación, calibración, equipo sustituto temporal, mayor mantenimiento. Otros costos: En esta categorı́a se introducen los costos indirectos que pueden llegar a afectar enormemente el estado financiero de una industria. Dichos costos son principalmente el aumento del costo de los seguros, penalidades por retraso o incumplimiento de contratos, compensaciones, evacuaciones y personal afectado (herido). Otros costos no evidentes son la pérdida de competitividad, reputación y satisfacción del cliente. Evidentemente la información de los costos mencionados anteriormente dependen directamente de las caracterı́sticas del usuario industrial: el tipo de industrial, los procesos empleados, la topologı́a de los mismos, la sensibilidad, el nivel de producción, y muchos elementos más lo que requiere un estudio del sistema bajo estudio. 16.
(18) Figura 3.2: Costos incurridos a nivel de producción, basado en [22] Por otra parte es importante determinar que aunque se tenga una buena caracterización de los costos incurridos éstos no siempre van a ser constantes y dependen de varios factores como el momento en el que ocurre un Sag. Por lo tanto se pueden modelar como variables aleatorias para más exactitud. Hasta este nivel es posible establecer una red causal que combina todos los elementos anteriormente descritos la cual se presenta en la figura 3.3.. Figura 3.3: Red bayesiana base del modelo A su vez al compilar dicha red es posible verificar las probabilidades apriori del sistema con el fin de identificar posibles errores o incoherencias.. 3.2.5.. Identificación de decisiones que afecten el comportamiento de modelo y costos asociados. En esta etapa se busca analizar la posible mitigación que se puede implementar mediante las decisiones tomadas por el usuario industrial. Evidentemente cada técnica o dispositivo de mitigación genera un costo de inversión que varı́a de acuerdo al sistema seleccionado. De igual forma hay diferentes escalas y niveles de mitigación tal y como se explicó en el capı́tulo 1 por lo tanto su costo también está ligado estos elementos. En la gráfica 3.5 se puede observar el concepto, la acción de mitigación es la implementación de un regulador de tensión para un variador o conjunto de variadores de velocidad. En la figura 3.6 se puede apreciar un esquema general de la evaluación de la mitigación y las variables de costos asociadas a cada uno. 17.
(19) Figura 3.4: Compilación red bayesiana base del modelo. Figura 3.5: Ejemplo de acción de mitigación. 3.3.. Análisis económico de mitigación. Evidentemente cada forma de mitigar el impacto de los Sags en los sistemas industriales está sujeta a cierto costo de inversión y cada solución presenta ventajas y desventajas desde el punto técnico, financiero y operativo. Por otra parte la solución a problemas causados por Sags está ligado al tipo de industria, más especı́ficamente a las cargas empleadas y a sus niveles de inmunidad, al consumo de las cargas y a la prioridad de las mismas dentro de un sistema de producción. En general son varios los aspectos a tener en cuenta a la hora de implementar un método de mitigación de Sags y ciertamente el factor económico es muy importante dentro de un análisis financiero de una industria. En la literatura se pueden diferentes metodologı́as de análisis económico tanto en el planteamiento como en casos concretos para sectores industriales especı́ficos. Como se ha mencionado anteriormente hay diferentes tipos de mitigación que un usuario puede implementar los cuales varı́an en costos, complejidad y requerimientos, e impacto en el sistema tanto eléctrico como productivo. Las dos grandes herramientas de un usuario se basan en la calidad de sus instalaciones y en los equipos “Custom Power” que puede adquirir. A continuación se presenta un análisis desde las dos perspectivas en términos de ventajas y desventajas de implementación.. 3.3.1.. Análisis de mitigación preventiva y predictiva. De acuerdo a lo propuesto por Bradley[36] y teniendo en cuenta las múltiples prácticas recomendadas para las instalaciones eléctricas industriales [5][15][14], un buen sistema eléctrico proporciona un alto grado de confiabilidad de tal forma que se reduzca la posibilidad de afrontar problemas futuros. La prevención de fenómenos de la calidad de lo potencia a nivel de usuario muchas veces son provenientes de malos diseños de las redes o deterioro de los mismos ası́ como carencia en la aplicación de normas importantes. Sin embargo en algunos casos la normatividad puede no ser suficiente frente a requerimientos estrictos de algunos tipos de industria como la de fabricación de semiconductores y alta tecnologı́a o plataformas militares[36]. Frente a esto, el usuario puede hacer un esfuerzo mayor en lograr tener una red mucho más robusta y menos propensa a fallas internas y en general a problemas de calidad de la potencia. La NFPA 70B-2006 argumenta que el deterioro en el equipo eléctrico pero la falla en los mismos no es inevitable. 18.
(20) Figura 3.6: Esquema general análisis económico de mitigación Este tipo de mitigación está enfocada especı́ficamente a reducir o evitar los Sags en el sistema a diferencia de los dispositivos “Custom Power”los cuales se basan en reducir el efecto de un Sag. En términos económicos la prevención y predicción muchas veces puede ser mucho menos costosa que la implementación de sistemas de mitigación y en algunos casos tener un costo prácticamente nulo. Como se mencionó en la primera sección, la mitigación a este nivel se fundamenta en controles de la red, monitoreo constante, mantenimiento predictivo, fortalecimiento de la instalación eléctrica, remplazo de equipos con niveles de inmunidad más altos entre otros. El análisis de estos factores desde el punto de vista económico puede no ser fácil si no se realiza desde la etapa de diseño ya que cuando se trabaja con una red ya existente, ésta puede variar enormemente de usuario a usuario. Los estándares IEEE 493-2007 (GoldBook) e IEEE 3007.2-2010, presentan metodologı́as y prácticas recomendadas como el EPM (Electrical preventive maintenance), el RCM (Reliability-centerd maintenance) o el FMEA (failure modes and effects analysis) las cuales son herramientas útiles para incluir los elementos anteriormente mencionados. Teniendo en cuenta lo anterior y el hecho de que aproximadamente el 50 % de las fallas son producidas al interior de una red eléctrica industrial, son muchas las opciones que tiene un usuario con el fin de reducir la cantidad de fallas en el sistema que van desde adquirir equipos de calidad hasta rediseñar la red. Por otra parte hay muchas empresas que ofrecen sus servicios en mantenimiento preventivo y predictivo para evitar fallas del sistema eléctrico. A continuación se presenta un cuadro comparativo entre las diferentes posibilidades. Acción de mitigación Adquisición de equipos que cumplan con normas de fabricación (ITIC, SF47) Fortalecimiento de red eléctrica, remplazo de conductores Implementación de planes de mantenimiento, mantenimiento preventivo y predictivo Rediseõ de sistema eléctrico. Ventajas Se tiene una garantı́a confiable de niveles de inmunidad apropiados. Desventajas Altos costos cuando es necesario el remplazo de equipos. Añade robustez al sistema, elimina fuentes potenciales de fallas y reduce riesgos para el personal de la instalación Cumple con prácticas recomendadas, de fácil implementación a costos relativamente bajos además cubre un amplio rango de problemas más allá de los causados por Sags Aumenta confiabilidad del sistema. El costo puede ser demasiado alto cuando las redes son extensas. Costos muy elevados, muy baja disposición a implementarlo por parte de los usuarios. Cuadro 3.5: Análisis de mitigación preventiva desde el punto de vista del usuario Por otra parte, una gran ventaja de la mitigación preventiva es que al eliminar las causas internas como una fuente de fallas en el sistema de potencia, un usuario tiene más herramientas técnicas para exigir la responsabilidad del proveedor del servicio cuando la producción o la seguridad se vean afectadas debido a la ocurrencia de Sags. 19.
(21) 3.3.2.. Análisis de dispositivos de mitigación “Custom power”. Evidentemente no es posible eliminar los Sags de un sistema industrial únicamente con planes de mantenimiento o equipos altamente inmunes debido a que una industria difı́cilmente está exenta de los problemas presentados en la red de distribución. Por lo tanto el usuario debe recurrir a otras técnicas de mitigación que permitan disminuir el impacto de los Sags. Los dispositivos y sistemas “Custom Power” se basan en técnicas comúnmente sugeridas en la literatura y disponibles comercialmente y es posibles analizarlos económicamente teniendo en cuentas los costos de inversión y operación. A continuación se presenta un cuadro comparativo entre las diferentes posibilidades “Custom Power” para diferentes niveles de mitigación en términos de potencia protegida basado en la literatura[37] y en información de distribuidores locales. Alternativa. Costo de operación y mantenimiento ( % de costo inicial). Costo inicial. Menor a 5kVA COP$ CVT COP$ UPS COP$ DSC Entre 10kVA y 300kVA COP$ UPS COP$ Flywheel COP$ DSC Entre 0.3MVA y 10MVA COP$ UPS COP$ Flywheel COP$ DVR 10MVA con alimentador de respaldo COP$ Static switch COP$ Fast transfer switch. 500.000 700.000 600.000. 5.00 % 10.00 % 1.00 %. 800.000 650.000 500.000. 10.00 % 7.00 % 1.00 %. 600.000 600.000 500.000. 10.00 % 5.00 % 5.00 %. 1.000.000.000 300.000.000. 5% 5%. Cuadro 3.6: Comparación de costos para equipos “Custom power” Además de los costos hay varias ventajas y desventajas de cada sistema que se deben incluir en el análisis de tal forma que éste sea más objetivo. Los equipos de baja potencia se encuentran ampliamente en el mercado y su costo es relativamente bajo no sólo de inversión si no en operación y mantenimiento pero evidentemente su limitación es de capacidad. Por otra parte las UPS son soluciones ampliamente utilizadas debido a su efectividad contra varios tipos de fenómenos incluyendo interrupciones (Dependiendo de la capacidad de almacenamiento) pero implica costos mayores en mantenimiento y puede requerir mucho espacio y sistemas de ventilación. los interruptores de transferencia son bastante costosos y además requieren de una red secundaria que sea capaz de manejar la carga. Los transformadores ferroresonantes son una buena opción frente a otros de su misma categorı́a sin embargo genera inconvenientes como el ruido o la ventilación requerida. Por último los DSC se presentan como la opción preferida por varios autores debido a que son efectivos y de bajo costo. Por otra parte los dispositivos de mitigación tienen cierto nivel de eficiencia y confiabilidad por lo tanto se puede determinar que no es del todo seguro que no se presente un sag en presencia de equipos de mitigación. Esto es un factor muy importante a la hora de hacer suposiciones del modelo debido a que éste puede ser adaptado de acuerdo al equipamiento existente en el mercado.. 3.4.. Diagrama de influencia. Teniendo en cuenta todos los elementos propuestos anteriormente, se plantea el diagrama de influencia que caracteriza el comportamiento de un sistema industrial bajo la ocurrencia de un sag. Como se puede observar, el diagrama está dividido en secciones que representan cada nivel de estudio propuesto anteriormente. Las variables de costos asociados a las pérdidas pueden ser modeladas como variables aleatorias discretas mediante intervalos, evidentemente lo anterior representa una carga computacional mayor pero permite modelar los costos de manera más exacta debido a que no siempre se comportan de manera determinı́stica debido a que el tiempo de interrupción no siempre es el mismo ası́ como la cantidad de material perdido. Como se puede observar en la figura 3.7 además de los elementos explicados se incluye el nodo NSags. Este determina la cantidad de sags que logran impactar el sistema de manera severa al año. El 20.
(22) Figura 3.7: Diagrama de influencia final objetivo de esta variable es lograr un estimado de pérdidas económicas anuales con el fin de plantear un análisis financiero. Por otra parte se busca establecer el impacto en el modelo de la mitigación preventiva al reducir el número de fallas locales. La determinación de esta cifra se realiza en función de los estudios realizados a lo largo del mundo en diferentes industrias y sistemas de potencia. En este punto es muy importante considerar el número de Sags y la forma en la cuál éstos varı́an cuando se reducen las fallas internas del sistema. Teniendo en cuenta el análisis hecho con base en las normas IEEE 493 e IEEE 3007.2 es posible establecer que aproximadamente las fallas internas se pueden reducir en casi su totalidad. Es decir que se puede esperar una reducción del número de sags de hasta un 50 %.. 21.
(23) Capı́tulo 4. Validación de la metodologı́a propuesta Con base al diagrama de influencia diseñado se busca hacer la validación de la metodologı́a empleando datos reales tanto de las causas como de un sistema industrial cuya sensibilidad a los Sags sea importante y represente un peligro potencial para la operación normal. Con el fin de analizar la aplicación del modelo se seleccionan tres industrias descritas a continuación. Las tres industrias se encuentran localizadas en el mismo sector y pertenecen al mismo circuito de distribución lo que hace que los datos introducidos sean en cierta manera más homogéneos. Esta sección hace una compilación general de datos obtenidos principalmente de estudios realizados en Colombia ası́ como el complemento de información proveniente de la literatura especializada y casos de estudio de otros paı́ses.. 4.1. 4.1.1.. Casos de estudio SESPLASUR. SESPLASUR es una empresa del sector plásticos y manofactura ubicada en la ciudad de Pasto, Nariño. Entre sus principales productos se encuentran las escobas, recogedores y cepillos. Con una carga de aproximadamente 100kVA es un usuario de tipo industrial de la comercializadora de energı́a eléctrica A.S.C INGENIERÍA. Trabaja a 220V y 110V. Como contexto de estudio se selecciona el proceso industrial de fabricación de las escobas siendo éste producto el más importante para la compañı́a. El proceso de fabricación de las escobas se basa en una serie de etapas que involucran diferentes subprocesos y máquinas. A continuación se explica de manera breve su estructura1 . La materia prima, que es plástico desechado, se muele, luego es aglutinada para sacar pequeños gránulos, estos gránulos son llevados a la maquina de inyección donde con calentados e inyectados a gran presión en el molde del cual sale la base de la escoba. La base plástica pasa a la maquina insertadora la cual se encarga de insertar las fibras a la escoba (Las fibras no son producidas en el mismo establecimiento, son adquiridas a proveedores externos). Posteriormente la escoba pasa por una cortadora que deja las fibras al mismo nivel., luego la escoba pasa a la maquina plumadora, que abre el extremo de cada fibra de la escoba para darle suavidad.. 4.1.2.. SONARPLAS. SONARPLAS es también una empresa del sector plásticos y manofactura ubicada en la ciudad de Pasto, Nariño. Entre sus principales productos se encuentran los empaques de polietileno. Con una carga de aproximadamente 120kVA es un usuario de tipo industrial de la comercializadora de energı́a eléctrica A.S.C INGENIERÍA. Sus principales máquinas trabajan a niveles de tensión de 220V y 110V. Se selecciona el proceso de fabricación de los empaques de polietileno llamado Extrusión. La materia prima utilizada en el proceso es polietileno de baja densidad la cual es un hidrocarburo de alto peso molecular, obtenido mediante la polimerización de etileno gaseoso a altas presiones, siendo éste un polı́mero de buenas propiedades mecánicas y ópticas(proveedor Ecopetrol). También se utiliza 1 Adaptado. de la encuesta realizada (Ver anexo). 22.
(24) polietileno de alta densidad el cual es polimerizado a bajas presiones con excelente resistencia térmica y quı́mica. El proceso de extrusión es el proceso mecánico mediante el cual se utiliza una extrusora que consta de una camisa y un husillo la cual tiene tres zonas: Alimentación, compresión y distribución. Esta camisa se calienta previamente entre 140◦ y 220◦ y mediante una acción de prensado que por flujo continuo del polı́mero con presión es forzado a pasar por una boquilla. En este punto el polı́mero se convierte en lámina tubular a la cual se le inyecta aire con el fin de expandirla y darle la medida y calibre deseado. Al obtener la pelı́cula se puede imprimir, cortar y convertirla en bolsas, imprimir en rollos para empresas empacadoras y obtener otros subproductos.. 4.1.3.. LA CIGARRA. La Cigarra es una empresa Nariñense de fabricación de bebidas gaseosas con amplia participación en el mercado del sector suroccidente de Colombia. Tiene una carga de 225kVA y trabaja a 220V y 11V. El proceso consta desde el momento que se tiene la materia prima (Agua) e insumos quı́micos hasta que se tiene el producto embotellado. En primer lugar se tiene el proceso de purificación del agua en donde se eliminan todas las impurezas del lı́quido utilizando diferentes procesos quı́micos y máquinas de filtrado. Posteriormente se preparación los jarabes mediante una serie de mezcladoras y procesos de control de ingredientes. Luego las mezclas son enfriadas y se prosigue al proceso de envasado realizado por una máquina llenadora. Por último las botellas con el producto pasan por una máquina de corchado que se encarga de sellar los recipientes.. 4.2.. Información para el modelo. En primer lugar se realiza un diagnóstico general de las empresas con respecto a las fallas presentadas en el proceso industrial y en la instalación en general teniendo en cuenta los mecanismos de mitigación que han sido implementados y al estado general del equipamiento eléctrico y electrónico. Usuario Interrupciones de proceso? Equipos de mitigación? Planes de mantenimiento? Fallas internas? Daño de máquinas por interrupciones? Estado de la instalación Estado de los equipos. Cesplasur Constantes No No Constantes Sı́ Bueno Bueno. Sonarplas Constantes UPS en oficinas No Constantes Sı́ Bueno Excelente. La Cigarra Constantes No No Constantes Sı́ Bueno Excelente. Cuadro 4.1: Información sobre interrupciones de proceso Por otra parte, con el fin de caracterizar los costos de interrupción de proceso se presentan los siguientes datos claves para el cálculo siguiendo la metodologı́a propuesta en el capı́tulo anterior. Usuario Precio de producto Productos/hora Empleados/proceso Tiempo promedio de interrupción Reinicio por parte de experto? Incumplimiento de entregas?. Cesplasur $2000 60 6 70 min Sı́ Sı́. Sonarplas $18 20000 6 50 min No Sı́. La Cigarra $500 6000 17 30 min No No. Cuadro 4.2: Información sobre proceso principal para obtención de costos Por último se busca conocer las cargas totales de cada tipo de carga sensible con el fin de determinar el costo de mitigar en cada grupo de cargas ası́ como en toda la instalación. Estos cálculos se pueden realizar mediante la información de la tabla 3.6 y seleccionando los equipos menos costosos.. 23.
(25) Usuario Carga total Controladores Variadores Motores. Cesplasur 100kVA 3kVA 7kVA 75kVA. Sonarplas 120kVA 5kVA 10kVA 70kVA. La Cigarra 225kVA 12kVA 20kVA 140kVA. Cuadro 4.3: Información sobre cargas para mitigación. 4.3.. Metodologı́a de evaluación. Con el fin de determinar el beneficio de las posibilidades de inversión se utiliza el Valor presente neto (VPN) y la tasa interna de retorno (TIR). Se asume un costo de oportunidad del 10 %EA y un periodo de valoración de 10 años. El flujo de caja construido para cada caso consiste en que en el año 0 se tiene el costo de inversión y en los siguientes años como flujos se tiene el costo de operación y mantenimiento del equipamiento y el ahorro en las pérdidas de interrupción de proceso (si existe) que hay entre mitigar y no mitigar.. Figura 4.1: Flujos para evaluación de opciones de mitigación Teniendo en cuenta la información de la sección 4.2 se construye la siguiente tabla de costos de inversión y de operación y mantenimiento para cada opción de mitigación. Nivel. Dispositivo. Gran escala Controladores Variadores Motores Computadores Preventiva. DVR DSC DSC DVR UPS -. Costo de Inversión Cesplasur Sonarplas La Cigarra $50.000.000 $60.000.000 $112.500.000 $1.800.000 $3.000.000 $6.000.000 $4.200.000 $5.000.000 $10.000.000 $ 37.500.000 $35.000.000 $70.000.000 $1.000.000 $3.000.000 -. Costo de Operación Cesplasur Sonarplas La Cigarra $2.500.000 $3.000.000 $5.625.000 $18.000 $30.000 $60.000 $42.000 $50.000 $100.000 $1.875.000 $1.750.000 $3.500.000 %100.000 %300.000 $1.600.000 $1.600.000 $2.500.000. Cuadro 4.4: Información sobre costos de inversión y anuales para diferentes opciones de mitigación Una vez calculados tanto los costos de pérdidas para cada caso y el costo de mitigar el objetivo del diagrama de influencia propuesto para el análisis es el de obtener dichos flujos a partir del primer año con el fin de calcular los ı́ndices de desempeño. Los flujos anuales están dados por la expresión F lujoAnual = (CconM itigacion − CsinM itigacion ) ∗ N sags − CostosOperacion. (4.1). Con base a la información complementaria de la red se procede a realizar simulaciones con el fin de obtener las utilidades esperadas. De esta manera se obtienen los siguientes resultados:. 24.
(26) Acción No intervenir Preventiva Gran escala Controladores Variadores Motores Computadores. Flujo anual -$8.600.000 $1.580.000 -$3.200.000 $1.200.000 $55.300 -$7.900.000 -$32.600. VPN -$53.000.000 $3.500.000 $5.490.000 -$3.860.000 -. TIR 25 % -. Probabilidad falla proceso 68.5 % 68.0 % 10.20 % 56.6 % 66.0 % 66.0 % 67.0 %. Cuadro 4.5: Resultados para SESPLASUR. Acción No intervenir Preventiva Gran escala Controladores Variadoes Motores Computadores. Flujo anual -$14.100.000 $2.700.000 -$3.1740.000 $1.960.000 $387.000 -$8.800.000 -$1.600. VPN -$86.700.000 $16.630.000 $9.060.000 -$2.610.000 -. TIR 25 % -. Probabilidad falla proceso 68.5 % 68.0 % 10.20 % 56.6 % 66.0 % 66.0 % 67.0 %. Cuadro 4.6: Resultados para SONARPLAS. Acción No intervenir Preventiva Gran escala Controladores Variadoes Motores Computadores. Flujo anual -$35.000.000 $4.270.000 -500.000 $5.250.000 $1.315.000 -$15.000.000 -$450.000. VPN -$215.600.000 $26.240.000 $46.450.000 $3.160.000 -. TIR 35 % 5.3 % -. Probabilidad falla proceso 68.5 % 68.0 % 10.20 % 56.6 % 66.0 % 66.0 % 67.0 %. Cuadro 4.7: Resultados para LA CIGARRA Los resultados permiten establecer que los controladores son posiblemente el punto más crı́tico del proceso industrial para todos los casos debido a su vulnerabilidad y a la dependencia de otros componentes. Se puede observar que mitigar en este punto deriva en beneficio debido a su bajo costo y a la gran influencia en la reducción de las pérdidas económicas. Por otra parte es claro que para la mitigación preventiva la probabilidad de falla del proceso debido a un sag no cambia con respecto al caso de no interferir, pero puede llegar a ser una gran herramienta a la hora de disminuir los Sags y por lo tanto las pérdidas económicas. Por otra parte es posible observar que a medida que el tamaño de la industria crece los VPN negativos para el caso de la mitigación a gran escala tienden a incrementar por lo que se podrı́a suponer que puede llegar un punto en el cual ésta sea una buena opción porque además se debe considerar el hecho de que los grandes dispositivos como las UPS con capacidad de almacenamiento de energı́a pueden evitar interrupciones y otros problemas de calidad de la potencia además este tipo de sistemas otorgan mayor confiabilidad al sistema, como se puede observar, la probabilidad de falla del proceso es mucho menor que en los otros casos de mitigación debido a que actúa sobre todas las cargas sensibles. Aunque mitigar sobre los variadores puede ser relativamente beneficioso, aunque en una proporción muy pequeña, no resulta tan eficiente en términos de confiabilidad debido a que éstos dependen de los controladores y si éstos últimos fallan debido a un sag, es altamente probable que un variador también lo haga. Nuevamente se muestra que es mucho más productivo mitigar sobre los controladores y no sólo en los controladores del proceso sino también en los controles de las protecciones ya que muchas veces éstas se activan bajo Sags que posiblemente no son negativos para máquinas como motores pero que el sistema de protección puede detectar como dañino y desconectar la máquina. 25.
(27) Capı́tulo 5. Diseño de herramienta computacional para análisis en tiempo real En el capı́tulo anterior se analizaron varios casos de estudio de acuerdo a la información recopilada de varios usuarios industriales obteniendo como resultado una comparación entre las diferentes técnicas de mitigación en términos de costos ası́ como la exploración de escenarios en cuento a comportamiento especı́fico dado un evento. Aunque el uso de herramientas computacionales como Hugin ExpertTM permiten realizar análisis de forma intuitiva se fundamentan en modelos basados en información previamente obtenida y no son fácilmente adaptables a introducir evidencia y contexto de forma dinámica por lo que el análisis bajo diversos factores puede llegar a ser muy extenso y poco eficiente. Es por esto que se desarrolla una herramienta capaz de procesar los datos tanto de mediciones como del sistema fı́sico para moldear la red de creencia con un alto grado de flexibilidad y generar una plataforma capaz de adaptarse a diferentes entornos.. 5.1.. Concepto general de la herramienta. A la hora de analizar un sistema eléctrico en términos de los fenómenos de la calidad de la potencia es de suma importancia tener mediciones constantes y apropiadas para el entorno ası́ como una caracterización especı́fica de la instalación y el proceso industrial afectado. Por otra parte los diagramas de influencia basados en redes bayesianas requieren de constante evidencia para lograr ser modelos más apropiados. Por lo tanto se diseña una herramienta computacional que permite modificar el diagrama de influencia de una manera muy sencilla, estudiar cada medición dentro de la red y analizar las diferentes técnicas de mitigación. La estructura básica de la herramienta consta del aprovechamiento de diferentes softwares y lenguajes de programación. La interfaz se basa en Labview R en donde mediante una serie de controles se modela el sistema y se analiza la información tanto de mediciones PQ como de datos fı́sicos de la industria. Mediante la función de dicho software de MatlabScript se realizan rutinas desarrolladas en Matlab R que permiten manipular una red base previamente elaborada en Hugin Expert R y exportada en lenguaje C + + o .N ET . Por otra parte la herramienta busca establecer la posibilidad de adaptarse a analizadores de redes y monitores de calidad de la potencia que entreguen información sobre los Sags con el fin de ser procesada para realizar una valoración de costos y comportamiento de sistema productivo.. Desarrollo en Hugin Expert R En este software se estructura el diagrama de influencia base con el fin de facilitar su manipulación y también para analizar de primera mano el posible comportamiento de mismo. El objetivo es lograr utilizar la red construida de forma dinámica, es decir cambiando información y añadiendo evidencia mediante rutinas de forma automática permitiendo análisis más detallados y extensos. 26.
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