Análisis de confiabilidad de sistemas de distribución eléctrica con penetración de generación distribuida

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(1)La versión digital de esta tesis está protegida por la Ley de Derechos de Autor del Ecuador. Los derechos de autor han sido entregados a la “ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL” bajo el libre consentimiento del (los) autor(es). Al consultar esta tesis deberá acatar con las disposiciones de la Ley y las siguientes condiciones de uso: · Cualquier uso que haga de estos documentos o imágenes deben ser sólo para efectos de investigación o estudio académico, y usted no puede ponerlos a disposición de otra persona. · Usted deberá reconocer el derecho del autor a ser identificado y citado como el autor de esta tesis. · No se podrá obtener ningún beneficio comercial y las obras derivadas tienen que estar bajo los mismos términos de licencia que el trabajo original. El Libre Acceso a la información, promueve el reconocimiento de la originalidad de las ideas de los demás, respetando las normas de presentación y de citación de autores con el fin de no incurrir en actos ilegítimos de copiar y hacer pasar como propias las creaciones de terceras personas.. Respeto hacia sí mismo y hacia los demás..

(2) ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. ANÁLISIS DE CONFIABILIDAD DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA CON PENETRACIÓN DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA.. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO ELÉCTRICO. LUIS ALONSO CHUSIN CAYO luis.chusin@hotmail.com BYRON SANTIAGO ESCOBAR GUANOLUISA. santiago7escobar@live.com. DIRECTOR: DR. GABRIEL BENJAMÍN SALAZAR YÉPEZ. gabriel.salazar@epn.edu.ec CODIRECTOR: DR. CARLOS FABIÁN GALLARDO QUINGATUÑA. carlos.gallardo@epn.edu.ec. Quito, Junio 2015.

(3) I. DECLARACIÓN. Nosotros, LUIS ALONSO CHUSIN CAYO y BYRON SANTIAGO ESCOBAR GUANOLUISA, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.. A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. _______________________________. _____________________________. LUIS A. CHUSIN C.. BYRON S. ESCOBAR G..

(4) II. CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por LUIS ALONSO CHUSIN CAYO Y BYRON SANTIAGO ESCOBAR GUANOLUISA, bajo mi supervisión.. ________________________________________. Dr. Gabriel B. Salazar Y. DIRECTOR DE PROYECTO.

(5) III. CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por LUIS ALONSO CHUSIN CAYO Y BYRON SANTIAGO ESCOBAR GUANOLUISA, bajo mi supervisión.. ________________________________________. Dr. Carlos F. Gallardo Q. CODIRECTOR DE PROYECTO.

(6) IV. DEDICATORIA. Presente trabajo está dedicado a mis padres por su amor incondicional, por transmitir que con esfuerzo y dedicación todo lo es posible; hermanos y amigos, que en los momentos difíciles supieron dar ayudo incondicional y consejos para seguir adelante ante las adversidades que se presentaron durante vida estudiantil. Luis Ch.. Con mucho amor dedico este trabajo a mi amado Señor Jesús por todas sus bendiciones para conmigo, pues desde mi niñez Él ha sido mi Padre, mi Amigo, mi Razón de Ser, y solo por su santa por voluntad y amor he logrado terminar mi carrera; dedico también a mis padres Elena y Rafael, quienes con su apoyo incondicional han sido los ejes fundamentales para mi desarrollo personal y académico durante toda mi vida, incluyendo mi etapa universitaria que hoy estoy culminando; a mi esposa Lorena por su confianza, paciencia y comprensión y que juntó con mis padres, siempre me impulsaron a alcanzar mis objetivos, a mi hija Belencita quien ha sido una bendición en mi vida y una motivación para alcanzar esta meta. Byron E..

(7) V. AGRADECIMIENTOS. A Jesús Dios Todopoderoso que con su respaldo y bendición nos ha permitido culminar con éxito el presente proyecto y por ende nuestra carrera universitaria. Queremos también expresar nuestros más sinceros agradecimientos al Dr. Gabriel B. Salazar Y., por su guía, conocimientos impartidos y comprensión, que influyeron sobremanera en el feliz término del presente proyecto de titulación. Al Doctor Carlos F. Gallardo Q., por su dirección en la elaboración del estudio. Al Doctor Hugo N. Arcos M., por su tiempo en la impartición de pautas e indicaciones necesarias y muy valiosas con las que pudimos encauzarnos de una manera adecuada en la realización del presente estudio. Al Ingeniero Enrique Vera quien con sus conocimientos y tutorías influyó en gran manera en la realización del proyecto. Al Ingeniero Luis Rúales C., por su conocimiento impartido y sugerencias para un feliz término de esta tesis. A EMELNORTE S.A., a la Dirección de Calidad de Servicio, al Dirección de Planificación, a la Unidad SIG, a la Ing. Nicolita Gafita, al Ing. Iván Rúales, al Ing. Hernán Pérez y al Ing. Omar Chacón, por facilitarnos toda la información necesaria para poder llevar a cabo el estudio tanto en la modelación de la red como en la información de interrupciones de la red según su respectiva área de concesión. A CNEL EP - EL ORO., a la Unidad de Calidad, a la Dirección de Planificación, al Departamento SIG, al Ing. Cristian Ordoñez, al Ing. Vladimir Jaramillo, por facilitarnos.

(8) VI. toda la información necesaria para poder llevar a cabo el estudio tanto en la modelación de la red como en la información de interrupciones de la red según su respectiva área de concesión.. A mis amigos de carrera: Daniel, Víctor, Christian, Carlos quienes nos brindaron su apoyo cuando lo requerimos y que incluso aportaron de una u otra forma con su granito de arena para poder realizar el presente estudio.. A la Escuela Politécnica Nacional, a la Carrera de Ingeniería Eléctrica, por los conocimientos impartidos a lo largo de nuestra formación profesional en esta valiosa institución..

(9) VII. CONTENIDO 1. 2. INTRODUCCIÓN _________________________________________________________ 1 1.1. GENERALIDADES__________________________________________________________ 1. 1.2. OBJETIVOS ______________________________________________________________ 2. 1.2.1. OBJETIVO GENERAL ______________________________________________________________ 2. 1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS __________________________________________________________ 2. 1.3. ANTECEDENTES __________________________________________________________ 2. 1.4. JUSTIFICACIÓN ___________________________________________________________ 4. 1.5. ALCANCE ________________________________________________________________ 4. 1.6. ORGANIZACIÓN DE LA TESIS ________________________________________________ 5. 1.7. APORTES ESPERADOS _____________________________________________________ 6. FUNDAMENTO TEÓRICO __________________________________________________ 8 2.1 2.1.1. GENERACIÓN DISTRIBUIDA _________________________________________________ 8 OPERACIÓN EN ISLA _____________________________________________________________ 9. 2.2. GENERACIÓN CENTRALIZADA VS GENERACIÓN DISTRIBUIDA [3] __________________ 10. 2.3. TECNOLOGÍAS DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA [1] [4] ____________________________ 11. 2.3.1. GENERACIÓN DISTRIBUIDA RENOVABLE ____________________________________________ 11 Generadores Eólicos _______________________________________________________ 12 Generadores Fotovoltaicos __________________________________________________ 13 Generadores Hidráulicos ____________________________________________________ 14 Biomasa [5] [7] ____________________________________________________________ 16. 2.4. VENTAJAS DE LA GENERACÍON DISTRIBUIDA __________________________________ 18. 2.5. CONDICIONES DE OPERACIÓN DE UN SISTEMA CON GENERACIÓN DISTRIBUIDA [8] __ 18. 2.6. IMPACTOS DE LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA EN UN SISTEMA ELÉCTRICO DE. DISTRIBUCIÓN [9] ______________________________________________________________ 19 2.6.1. EFECTO EN LAS PÉRDIDAS DEL SISTEMA ____________________________________________ 19. 2.6.2. EFECTO EN EL FLUJO DE CARGA ___________________________________________________ 20.

(10) VIII. 2.6.3. EFECTO SOBRE LAS CORRIENTES DE FALLA Y EQUIPOS DE PROTECCIONES _________________ 20. 2.6.4. EFECTOS SOBRE LA CALIDAD DE LA ENERGÍA_________________________________________ 21. 2.6.5. EFECTO SOBRE LA CONFIABILIDAD DE UN SISTEMA ELÉCTRICO __________________________ 21. 2.7 2.7.1. CONFIABILIDAD DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN _______________________________ 22 DEFINICIONES BÁSICAS. [10] [11] __________________________________________________ 22 Confiabilidad _____________________________________________________________ 22 Confiabilidad de Sistemas de Distribución ______________________________________ 22 Seguridad ________________________________________________________________ 22 Suficiencia _______________________________________________________________ 22 Falla y Defecto ____________________________________________________________ 23 Disponibilidad ____________________________________________________________ 23 Indisponibilidad ___________________________________________________________ 23 Operación ________________________________________________________________ 23 Mantenimiento ___________________________________________________________ 23 Reparación _______________________________________________________________ 23 Desconexión ______________________________________________________________ 23 Reconexión _______________________________________________________________ 24 Tramos de una troncal ______________________________________________________ 24. 2.7.2. COMPONENTES DE UN SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN [12]________________________________ 24 Componentes en Serie _____________________________________________________ 25 Componentes en Paralelo ___________________________________________________ 26. 2.7.3. SISTEMA RADIAL [13] ___________________________________________________________ 28. 2.7.4. SISTEMA RADIAL CON ALTERNATIVA DE ALIMENTACIÓN [13] ___________________________ 28. 2.7.5. SISTEMA RADIAL CON GENERACIÓN DISTRIBUIDA [13] _________________________________ 29. 2.7.6. INTERRUPCIONES [14] ___________________________________________________________ 30 Clasificación de las Interrupciones ____________________________________________ 30. 2.7.7. TIEMPO DE INTERRUPCIÓN [15] ___________________________________________________ 32 Tiempo para el conocimiento de falla (tc) _______________________________________ 33 Tiempo de preparación (tp) __________________________________________________ 33 Tiempo de localización (tl) ___________________________________________________ 33 Tiempo de maniobra para la transferencia (tt) ___________________________________ 33 Tiempo de reparación (tr) ___________________________________________________ 33 Tiempo de maniobra para restablecer la configuración normal de la red (t v) __________ 33. 2.7.8. ÍNDICES DE CONFIABILIDAD [16] __________________________________________________ 33.

(11) IX. Índice medio de frecuencia de interrupción del sistema ___________________________ 34 Índice medio de duración de interrupción del sistema Interrupción _________________ 34 Índice medio de frecuencia de interrupción a los usuarios _________________________ 34 Índice medio de duración de interrupción a los usuarios __________________________ 35 Índice medio de disponibilidad del Sistema _____________________________________ 35 Energía no Suministrada ____________________________________________________ 35 Energía no Suministrada por Cliente ___________________________________________ 35 2.7.9. MÉTODOS PARA ESTUDIOS DE CONFIABILIDAD _______________________________________ 36 Método Determinístico _____________________________________________________ 36 2.7.9.1.1. Método de Bloques de Frecuencia y Duración [17] [12] ________________________ 36 Métodos Estocásticos ______________________________________________________ 38. 2.7.9.2.1. 3. Método Monte Carlo [17] [18] ____________________________________________ 38. SISTEMAS DE ESTUDIO ___________________________________________________ 40 3.1. METODOLOGÍA APLICADA _________________________________________________ 40. 3.2. GENERACIÓN DISTRIBUIDA COMO ALTERNATIVA DE ALIMENTACIÓN ______________ 41. 3.3. MANUAL DEL MÓDULO DE CONFIABILIDAD DEL PROGRAMA DIgSILENT PowerFactory_42. 3.3.1. DESPEJE DE FALLAS _____________________________________________________________ 43. 3.3.2. AISLAMIENTO DE LA FALLA _______________________________________________________ 45. 3.3.3. RESTAURACIÓN DE POTENCIA ____________________________________________________ 45. 3.3.4. ALIVIO DE SOBRECARGA _________________________________________________________ 49 Transferencia de carga _____________________________________________________ 50 Rechazo o desconexión de carga _____________________________________________ 50. 3.3.5. MODELOS DE FALLA Y REPARACIÓN ________________________________________________ 51 Modelo de falla de Línea o Cable _____________________________________________ 51 Modelo de fallas de Transformadores _________________________________________ 52 Modelo de fallas de Barras __________________________________________________ 53 Modelo de Carga __________________________________________________________ 54. 3.3.6. MÓDULO DE ANÁLISIS DE CONFIABILIDAD __________________________________________ 55 Opciones Básicas __________________________________________________________ 56 Salidas __________________________________________________________________ 58 FEA (Análisis de Efecto de Fallas) _____________________________________________ 59 Restricciones _____________________________________________________________ 60.

(12) X. Mantenimiento ___________________________________________________________ 62 Opciones Avanzadas _______________________________________________________ 62 3.3.7. ANÁLISIS DE UN SISTEMA ILUSTRATIVO _____________________________________________ 64 Análisis Sin GD ____________________________________________________________ 65 Análisis con GD ___________________________________________________________ 70 Conclusiones del sistema ilustrativo ___________________________________________ 74. 3.4. SELECCIÓN Y DESCRIPCIÓN DE LAS EMPRESAS _________________________________ 75. 3.4.1. SELECCIÓN DE LAS EMPRESAS ____________________________________________________ 75. 3.4.2. DESCRIPCIÓN DE LAS EMPRESAS DE DISTRIBUCIÓN ___________________________________ 76 EMELNORTE S.A [20] _______________________________________________________ 77 3.4.2.1.1. Área de Concesión ______________________________________________________ 77. 3.4.2.1.2. Subestaciones de EMELNORTE S.A__________________________________________ 78. 3.4.2.1.2.1. Subestación El Chota _________________________________________________ 78. 3.4.2.1.2.2. Subestación La Carolina ______________________________________________ 79. 3.4.2.1.2.3. Subestación La Esperanza _____________________________________________ 81. 3.4.2.1.2.4. Subestación El Ángel _________________________________________________ 82. 3.4.2.1.2.5. Subestación Alpachaca _______________________________________________ 83. CNEL EP - EL ORO [22] ______________________________________________________ 85. 3.5. 3.4.2.2.1. Área de Concesión ______________________________________________________ 86. 3.4.2.2.2. Subestaciones CNEL EP - EL ORO ___________________________________________ 86. 3.4.2.2.2.1. Subestación Arenillas ________________________________________________ 87. 3.4.2.2.2.2. Subestación Santa Rosa _______________________________________________ 88. RECOPILACIÓN DE LA INFORMACIÓN ________________________________________ 89. 3.5.1. CONSIDERACIONES GENERALES ___________________________________________________ 90. 3.5.2. BASE DE DATOS PARA LÍNEAS Y TRANSFORMADOR DE S/E _____________________________ 91 Tratamiento de datos EMELNORTE S.A ________________________________________ 91 Tratamiento de datos CNEL EP EL – ORO _______________________________________ 94 DATOS TÉCNICOS DE LAS DOS EMPRESAS ______________________________________ 94 PARÁMETROS DE CONFIABILIDAD DE LAS DOS EMPRESAS _________________________ 97. 4. MODELADO Y ANÁLISIS DE CONFIABILIDAD DE LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN___ 103 4.1. INTRODUCCIÓN ________________________________________________________ 103. 4.2. CONSIDERACIONES GENERALES ___________________________________________ 104.

(13) XI. 4.3 4.3.1. MODELADO DE LA RED __________________________________________________ 105 ALIMENTADORES MODELADOS DE EMELNORTE S.A __________________________________ 106 Alimentadores Alpachaca C5 y C6 ____________________________________________ 107 Alimentador La Carolina C1 _________________________________________________ 111 Alimentador El Chota C2 ___________________________________________________ 112 Alimentador La Esperanza C4 _______________________________________________ 112 Alimentador El Ángel C1 ___________________________________________________ 113. 4.3.2. ALIMENTADORES MODELADOS DE CNEL EP - EL ORO _________________________________ 120 Alimentador Puerto Jely ___________________________________________________ 120 Alimentador Arenillas _____________________________________________________ 120. 4.4 4.4.1. CONFIABILIDAD DE LA EMPRESA EMELNORTE S.A _____________________________ 124 SIN GENERACION DISTRIBUIDA ___________________________________________________ 124 Resultados de los alimentadores Alpachaca C5 y C6 _____________________________ 125 Resultados del alimentador La Carolina C1 ____________________________________ 126 Resultados del alimentador El Chota C2 _______________________________________ 126 Resultados del alimentador La Esperanza C4 ___________________________________ 127 Resultados del alimentador El Ángel C1 _______________________________________ 127. 4.4.2. CON GENERACION DISTRIBUIDA __________________________________________________ 127 Resultados del alimentador Alpachaca C5 _____________________________________ 128 Resultados del alimentador La Carolina C1 ____________________________________ 129 Resultados del alimentador El Chota C2 _______________________________________ 130 Resultados del alimentador La Esperanza C4 ___________________________________ 130 Resultados del alimentador El Ángel C1 _______________________________________ 130. 4.4.3. APLICACIÓN DE MEJORAS EN LA TOPOLOGÍA DE LA RED ______________________________ 131 Criterios Generales _______________________________________________________ 131 Criterios Preliminares _____________________________________________________ 132 Resultados del alimentador Alpachaca C5 _____________________________________ 133 Resultados del alimentador El Chota C2 _______________________________________ 135. 4.5 4.5.1. CONFIABILIDAD DE LA EMPRESA CNEL EP – EL ORO____________________________ 138 SIN GENERACION DISTRIBUIDA ___________________________________________________ 138 Resultados del alimentador Puerto Jely _______________________________________ 139 Resultados del alimentador Arenillas _________________________________________ 139. 4.5.2. CON GENERACION DISTRIBUIDA __________________________________________________ 140.

(14) XII. Resultados del alimentador Puerto Jely _______________________________________ 140 Resultados del alimentador Arenillas _________________________________________ 140 4.5.3. APLICACIÓN DE MEJORAS EN LA TOPOLOGÍA DE LA RED ______________________________ 140 Criterios Preliminares _____________________________________________________ 140 Resultados del alimentador Arenillas _________________________________________ 141. 5. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS ______________________________ 143 5.1. INTRODUCCIÓN ________________________________________________________ 143. 5.2. EMPRESA ELÉCTRICA EMELNORTE S.A ______________________________________ 144. 5.2.1. VALORACIÓN DE LA ENERGÍA NO SUMINISTRADA TEÓRICA ____________________________ 144 Alimentador Alpachaca C5 _________________________________________________ 145 Alimentador Alpachaca C6 _________________________________________________ 145 Alimentador La Esperanza C4 _______________________________________________ 145 Alimentador El Chota C2 ___________________________________________________ 146. 5.2.2. DIAGNÓSTICO DEL SISTEMA ACTUAL ______________________________________________ 146 Alimentador Alpachaca C5 _________________________________________________ 147 Alimentador Alpachaca C6 _________________________________________________ 147 Alimentador La Carolina C1 _________________________________________________ 148 Alimentador El Chota C2 ___________________________________________________ 148 Alimentador La Esperanza C4 _______________________________________________ 149 Alimentador El Ángel C1 ___________________________________________________ 149. 5.2.3. VARIACIÓN DE LA CONFIABILIDAD POR PRESENCIA DE LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA_______ 154 Influencia en los índices de confiabilidad ______________________________________ 155 5.2.3.1.1. Alpachaca C5 y C6 ______________________________________________________ 155. 5.2.3.1.2. La Carolina C1 _________________________________________________________ 157. 5.2.3.1.3. El Chota C2 ___________________________________________________________ 158. 5.2.3.1.4. La Esperanza C4 _______________________________________________________ 158. 5.2.3.1.5. El Ángel ______________________________________________________________ 161 Energía no Suministrada sistémica ___________________________________________ 162. 5.2.4. DIAGNÓSTICO DE LA APLICACIÓN DE MEJORAS EN LA TOPOLOGÍA DE LA RED _____________ 163 Alpachaca C5 ____________________________________________________________ 163 El Chota C2 ______________________________________________________________ 165 Resultados Finales ________________________________________________________ 166.

(15) XIII. 5.3 5.3.1. EMPRESA ELÉCTRICA CNEL EP – EL ORO _____________________________________ 167 VALORACIÓN DE LA ENERGÍA NO SUMINISTRADA TEÓRICA ____________________________ 167 Alimentador Puerto Jely ___________________________________________________ 168 Alimentador Arenillas _____________________________________________________ 168. 5.3.2. DIAGNÓSTICO DEL SISTEMA ACTUAL ______________________________________________ 169 Alimentador Puerto Jely ___________________________________________________ 169 Alimentador Arenillas _____________________________________________________ 170. 5.3.3. VARIACIÓN DE LA CONFIABILIDAD POR PRESENCIA DE LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA_______ 174 Influencia en los Índices de Confiabilidad ______________________________________ 174 5.3.3.1.1. Alimentador Puerto Jely _________________________________________________ 175. 5.3.3.1.2. Alimentador Arenillas ___________________________________________________ 177 Energía no Suministrada sistémica ___________________________________________ 179. 5.3.4. DIAGNÓSTICO DE LA APLICACIÓN DE MEJORAS EN LA TOPOLOGÍA DE LA RED. ____________ 181 Alimentador Arenillas _____________________________________________________ 181 Resultados Finales ________________________________________________________ 183. 5.4. 6. 7. OPERACIÓN EN ISLA INTENCIONAL. ________________________________________ 184. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ____________________________________ 185 6.1. CONCLUCIONES ________________________________________________________ 185. 6.2. RECOMENDACIONES ____________________________________________________ 186. REFERENCIAS _________________________________________________________ 187.

(16) XIV. RESUMEN. Este proyecto presenta la evaluación de confiabilidad de los sistemas de distribución con penetración de generación distribuida de las empresas CNEL EP – EL ORO y EMELNORTE S.A. desde el punto de entrega de la subestación de distribución en adelante, es decir todo el alimentador aguas abajo, utilizando el programa PowerFactory 14.1.3 de DIgSILENT para la modelación y análisis.. En primer lugar, se modela a nivel de troncal todos los alimentadores que operan con generadores distribuidos considerando también los del plan de expansión 2014 y se elabora una base de datos con la información característica de los elementos de la red que incluye datos técnicos y parámetros de confiabilidad. Mediante el programa mencionado y su módulo de confiabilidad “Reliability Analysis” se determina los índices de confiabilidad de cada alimentador con y sin la penetración de generación distribuida, para luego realizar una comparación y análisis de los resultados obtenidos, sugiriendo además la ubicación de un punto adicional de conexión de los generadores y/o inserción de equipos de seccionamiento a nivel de troncal para la creación de tramos, en el margen de lo posible; con propósitos de tener una idea de cuánto mejoraría la confiabilidad de la red con las adecuaciones mencionadas.. El desarrollo del proyecto está encauzado en el análisis de los alimentadores con su topología y forma de operación actual para luego señalar la conveniencia o no de utilizar la generación distribuida como alternativa de alimentación frente a fallas en el sistema, con el objetivo de reducir los niveles de energía no suministrada ENS como resultado del mejoramiento de la confiabilidad de la red..

(17) 1. 1 INTRODUCCIÓN. 1.1 GENERALIDADES En la actualidad, el avance tecnológico ha hecho posible la implementación de pequeñas fuentes de energía en lugares lo más próximos posibles a las cargas, este tipo de generación denominada “Generación Distribuida (GD)” permite reducir el costo del servicio, mejorar la calidad de la energía suministrada y tener mayor confiabilidad de la red eléctrica. El Ecuador es rico en recursos naturales alternativos como son: el viento, pequeñas vertientes, biomasa, una de las más altas radiaciones solares del planeta, etc., que hace posible el desarrollo de energías no convencionales en distintos puntos topográficos. La GD da solución a problemas como la escasez de recursos energéticos convencionales y económicos y la contaminación ambiental, convirtiéndose en una buena alternativa para la mejora de la calidad de suministro eléctrico. Además, la Generación Distribuida podría tener una influencia significativa en cuestiones relativas a la confiabilidad, asegurando suministro sin interrupciones, sean estos por accidentes naturales o por errores humanos, evitando así, largos periodos sin suministro de energía. Debido a que la cantidad de cortes de suministro se presentan en su mayoría en sistemas eléctricos de distribución por diversas causas, se ha visto la necesidad de estudiar la confiabilidad de dichos sistemas, considerando a aquellos que en su red cuentan con la presencia de generación distribuida, sin dejar de lado a los respectivos proyectos de expansión para el año 2014. Cabe resaltar que el avance tecnológico mundial, ha permitido desarrollar software para amplios rangos de aplicaciones, en los cuales se incluye el análisis de sistemas.

(18) 2. eléctricos de potencia y para el caso puntual de este proyecto, análisis de la confiabilidad de estos sistemas.. 1.2 OBJETIVOS 1.2.1 OBJETIVO GENERAL Analizar la Confiabilidad de un Sistema de Distribución Eléctrico, el cual cuente con penetración de Generación Distribuida (GD), considerando además proyectos de expansión que se implementarán hasta finales de 2014. 1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ·. Seleccionar dos empresas de distribución de energía eléctrica del país que posean Generación Distribuida acopladas a la red de media tensión.. ·. Modelar los alimentadores a nivel de troncal con los proyectos de generación distribuida (GD) ya existentes y por implementarse hasta finales de 2014.. ·. Analizar la confiabilidad del abastecimiento de la demanda en la red, comparando dos escenarios: con y sin Generación Distribuida, utilizando el programa DIgSILENT PowerFactory para realizar el estudio.. ·. Realizar una comparación de resultados de los escenarios en cuestión para determinar cuál es la mejor opción.. 1.3 ANTECEDENTES Antes de los años 60 el análisis de la confiabilidad de sistemas eléctricos se evaluaba por estimación, mediante la extrapolación de datos históricos de sistemas existentes y por métodos empíricos para predecir la confiabilidad de sistemas eléctricos nuevos. Durante los años 60 se llevaron a cabo nuevos estudios para desarrollar métodos que contribuyan al análisis de la confiabilidad de SEP y se publicaron algunos artículos.

(19) 3. dentro de los que se destacan dos por parte de un grupo de autores de la “Westinghouse Electric Corporation”, “Public Service” y “Gas Company”. En estos trabajos se introdujo el concepto fluctuación del medio ambiente para describir las tasas de fallas de los componentes del sistema de transmisión. Las técnicas utilizadas eran aproximaciones que proporcionaban resultados que estaban dentro de un margen de error relativamente pequeño en comparación con técnicas teóricas como los procesos de Markov, el cual era un método no muy aplicable debido a las restricciones de almacenamiento de un ordenador y por las limitaciones en la velocidad de procesamiento en la solución de grandes sistemas. Con el tiempo fueron apareciendo nuevos conceptos y métodos para el análisis de confiabilidad que no se enfocaron solamente en sistemas de transmisión, sino también en métodos de evaluación de fiabilidad de sistemas de distribución que es el caso del presente estudio, considerando eventos de apertura/cierre de equipos de maniobra y seccionamiento, alternativas de conexión, prioridad y tipo de clientes, etc. La confiabilidad de sistemas de distribución se evalúa en base a índices de confiabilidad los cuales tienen dos orientaciones diferentes: el registro de sucesos pasados y la predicción de la confiabilidad, los índices comúnmente utilizados están relacionados con la frecuencia y duración de las interrupciones. Uno de los aspectos importantes investigados es este estudio, es el efecto que tendría la Generación Distribuida (GD) en la confiabilidad de sistemas de potencia, en lo que respecta a continuidad de servicio; es decir, suplir de energía a la mayor cantidad de clientes posible luego de suscitada una falla, mediante una alternativa de alimentación proveniente de la GD, y así disminuir las pérdidas por energía no suministrada anuales del sistema, ya que la característica principal de este tipo de generación es que se encuentra cercana a la carga..

(20) 4. 1.4 JUSTIFICACIÓN La confiabilidad que ofrece un sistema con generación centralizada es relativamente menor a la que ofrecería un sistema con generación distribuida (GD); ya que, el desempeño de una red frente a fallas, mantenimientos e interrupciones por errores humanos; se ve mejorado con dicha generación, pues antes de realizar la reparación del componente que ha fallado, se puede energizar toda o parte de la red que no falló. Esta tesis compara la confiabilidad entre redes con y sin GD, estudio que la mayoría de las empresas eléctricas del país no han realizado, enfocándose principalmente en el mejoramiento de la confiabilidad de la red, disminuyendo el tiempo de interrupción, y por ende la energía no suministrada mediante la inyección de potencia proveniente de la GD.. 1.5 ALCANCE La evaluación de la confiabilidad se lleva a cabo utilizando el programa computacional DIgSILENT PowerFactory 14.1.3 y su módulo de confiabilidad “Reliability Analysis”, para análisis de sistemas eléctricos de potencia. Seleccionando a dos empresas eléctricas del país, que cuentan con GD operando en su red y/o tengan proyectos a ser implementados hasta el 2014 se arranca el estudio. Luego de realizar la modelación de los alimentadores en cuestión de ambas empresas e ingresar en el sistema todos los parámetros de confiabilidad necesarios para llevar a cabo el estudio, se establecieron esencialmente dos escenarios: a. Sin Generación Distribuida b. Con Generación Distribuida Finalmente se realiza un análisis comparativo de los resultados arrojados por el paquete computacional a fin de considerar la viabilidad o no de la GD como fuente alternativa..

(21) 5. 1.6 ORGANIZACIÓN DE LA TESIS El análisis de los sistemas de distribución se ha organizado en base a la siguiente estructura.. Capítulo 1: Introducción: Este capítulo contiene algunas generalidades del estudio, así como, los objetivos, antecedentes, justificación, alcance y organización del proyecto.. Capítulo 2: Fundamento Teórico: Este capítulo contiene conceptos, definiciones, metodologías, etc., necesarios para una adecuada comprensión y desarrollo del presente proyecto.. Capítulo 3: Sistemas de Estudio: En éste capítulo se indica el principio de evaluación de confiabilidad de sistemas de distribución, los criterios considerados para el aporte de la GD a la mejora de la confiabilidad, y como ejecutar el módulo de confiabilidad del programa en cuestión. Además, mediante un ejemplo (“Caso de Estudio”) se verifica la influencia que tiene la GD en la confiabilidad.. Capítulo 4: Análisis de Confiabilidad de los Sistemas de Distribución: En éste capítulo se realiza las modelaciones de las redes actuales de las dos empresas de distribución y de los sistemas proyectados al igual que los respectivos análisis de confiabilidad con y sin GD. Capítulo 5: Análisis de Resultados: Este capítulo contiene una comparación de los resultados del capítulo 4 así como el análisis y la interpretación de los mismos..

(22) 6. Capítulo 6: Conclusiones y Recomendaciones: En este capítulo se presentan las principales conclusiones y se hacen algunas recomendaciones procedentes del trabajo realizado.. Finalmente se enumeran las referencias bibliográficas que se utilizaron para el desarrollo de la tesis.. 1.7 APORTES ESPERADOS En el presente trabajo se realiza las siguientes contribuciones. ·. Se estima el valor del índice de confiabilidad ENS, por medio de conceptos de confiabilidad y con la ayuda del paquete computacional DIgSILENT; esto sería bien aprovechado por las empresas de distribución que cuentan actualmente con su respectiva red de distribución modelada en dicho programa y así puedan evaluar la confiabilidad de sus alimentadores, lo que hoy por hoy no se hace, ya que según la “REGULACIÓN No. CONELEC – 004/01”1 el cálculo de este índice lo realizan en base a conceptos de calidad de servicio.. ·. Se evalúa la influencia que tiene la Generación Distribuida (GD) en los índices de confiabilidad de las redes modeladas, estos estudios no se han realizado previamente ni en las empresas distribuidoras, ni en proyectos de titulación, de hecho, son muy escasos estos estudios incluso a nivel internacional.. ·. Se realiza una comparación entre el modo de operación actual de la red; esto es, la no operación de la generación distribuida luego de suscitarse una falla; y. 1. CONELEC hoy ARCONEL según el cumplimiento de la normativa “Ley Orgánica de Servicio Público. de Energía Eléctrica Registro No. 418”.

(23) 7. la sugerencia de que podría ser conveniente que la GD aporte al restablecimiento de potencia luego de suscitarse una falla. ·. De considerar a la GD como una alternativa de alimentación frente a fallas en lugar de realizar transferencia de carga a un alimentador vecino, relativamente se obtendrían mejores beneficios económicos, ya que, una disminución del índice ENS se traduce en una mayor energía facturada o vendida por la empresa distribuidora..

(24) 8. 2 FUNDAMENTO TEÓRICO Los términos generales relacionados con los análisis de confiabilidad de sistemas de distribución con penetración de generación distribuida necesarios para una mejor comprensión del presente proyecto se citan a continuación.. 2.1 GENERACIÓN DISTRIBUIDA Actualmente no existe una definición exacta y única de Generación Distribuida (GD), diversos autores u organismos han pretendido emplear definiciones que difieren entre ellas en algunos aspectos. A continuación, se enlistan algunas de estas definiciones: ·. Willis & Scott [1]: La Generación Distribuida son “pequeños generadores conectados a las redes de distribución (en las instalaciones de la empresa distribuidora o en las instalaciones de los consumidores) o estar aislados de estas”. Así mismo se utiliza el concepto de “Generación Dispersa para referirse a generadores muy pequeños, del tamaño necesario para alimentar consumos residenciales o pequeños negocios y conectados en las instalaciones de los consumidores o aislados de las redes”. ·. Ackermann [1]: “Generación Distribuida es una fuente de potencia eléctrica conectada directamente a la red de distribución o en las instalaciones de los consumidores”. Ackermann clasifica a la GD en función de su tamaño como sigue:. ·. -. Micro GD: 1W < potencia < 5kW. -. Pequeña GD: 5 kW ≤ potencia < 5 MW. Según W. Almeida, en su trabajo denominado “La Generación Distribuida y su potencial aplicación en el Ecuador” define a la GD como: “La generación o almacenamiento de energía eléctrica a pequeña escala, lo más cercano al.

(25) 9. centro de carga, con la opción de interconectarse con la red eléctrica para efecto de compra o venta”. [2] En general, aunque se carece de una definición universalmente aceptada acerca de la generación distribuida, se puede atribuir características en común de todas las posibles definiciones, las cuales den una idea global de lo que es la GD; estas son: -. No es centralizada (cercana a la carga). -. Potencias entre 1 kW – 1 MW en Ecuador.. -. Conectada al sistema de distribución o en las instalaciones de los consumidores.. 2.1.1 OPERACIÓN EN ISLA Aun cuando en Ecuador no existen normativas para la operación en isla de la generación distribuida, se presenta a continuación una idea general de este tipo de operación dentro de una red de distribución. La operación en isla es la expresión que representa un escenario donde una parte del sistema distribución incluyendo generación y carga, opera permanentemente o transitoriamente aislado de la red. La operación en isla puede ser “intencional” o “no intencional”. La operación de tipo “no intencional” se produce por la no detección de una falla por parte del sistema de protecciones de la GD lo que provoca que esta continúe operando y alimentando a la falla. Este hecho debe evitarse por el riesgo a personas y daños a equipos de la central de generación distribuida. Por otro lado, la operación en “isla intencional” se lleva a cabo solo si el sistema de distribución está diseñado para ello. Se ha convertido en un reto la operación en isla intencional, por la complejidad del diseño del sistema de protecciones o por determinar que potencia se debe generar en función de la carga conectada en la isla, además es necesario un sistema de control de voltaje y frecuencia y de que existan esquemas de.

(26) 10. deslastre de carga con saltos de desconexión que no provoquen daños al sistema de generación.. 2.2 GENERACIÓN. CENTRALIZADA. VS. GENERACIÓN. DISTRIBUIDA [3]. Figura 2.1 Generación Centralizada vs Generación Distribuida (Fuente:www.energiaciudadana.cl/grupo/grupo-no1-generacion-distribuida).. A partir de la crisis petrolera del Medio Oriente de los años 70, se han venido planteando dos tendencias para suministrar energía al consumidor: la generación centralizada y la generación distribuida. La característica de la primera, es la ubicación de grandes centrales generadoras lejos de los centros de consumo, que componen grandes bloques de potencia y con el propósito de disminuir pérdidas en la líneas se transmite potencia eléctrica hacia los centros de consumo a niveles de voltaje muy elevados para finalmente ser distribuida a los consumidores; mientras que la.

(27) 11. generación distribuida son centrales generadoras ubicadas cerca de los centros de carga y se conectan directamente a la red de distribución prescindiendo de esta manera de costos de transmisión. La Figura 2.1 hace una comparación entre la generación centralizada y la generación distribuida, contrastando la verticalidad de la primera con la transversalidad y flexibilidad de la segunda.. 2.3 TECNOLOGÍAS DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA [1] [4] Puesto que el presente proyecto no tiene por objetivo la descripción a fondo de las construcciones y principios de funcionamiento de cada tipo de tecnología, se describirá de una manera general cada una de ellas, considerando los aspectos más importantes o sobresalientes. Cabe destacar, que la tecnología en sí, no se la debe considerar como generación distribuida, sino que tiene su intervención en el concepto solo cuando, dichas tecnologías se acoplan a la red de distribución. 2.3.1 GENERACIÓN DISTRIBUIDA RENOVABLE Estos tipos de tecnologías utilizan recursos renovables como energía primaria. Los recursos renovables se definen como inagotables, tales como, la fuerza del viento, el calor y la luz del sol, las corrientes de agua, la materia orgánica (biomasa), la energía de los mares y océanos y el calor geotérmico. A continuación, se mencionan algunas las tecnologías de GD renovables: ·. Generadores Eólicos. ·. Celdas Fotovoltaicas.. ·. Micro Turbinas Hidráulicas. ·. Biomasa..

(28) 12. Generadores Eólicos Esta tecnología usa como fuente primaria la energía eólica (viento) la cual es transformada en energía eléctrica. La energía cinética del viento incide sobre las palas del aerogenerador (elementos móviles), transformándose en energía de presión que transmite un giro al eje, un generador transforma esta energía mecánica en energía eléctrica. [5]. En la Figura 2.2 se muestra el diagrama esquemático de la generación eólica. Las tecnologías de aerogeneradores se las puede clasificar en dos grupos: ·. Velocidad Fija. - Conexión directa a la red.. ·. Velocidad Variable. - Conexión a la red mediante sistemas de convertidores electrónicos basados en electrónica de potencia. El avance tecnológico ha permitido la evolución de los aerogeneradores, hoy en día se dispone en el mercado de una amplia gama de ellos, que ofrecen potencias que van desde 0,005 hasta 5 MW, dependiendo del diseño aerodinámico su eficiencia puede fluctuar entre 12 y 40%. [6]. Figura 2.2 Componentes de un Sistema de Generación Eólico (Fuente: http://www.eerva.cl/resource/serv/img/aerogenerador_2.jpg). Las ventajas que ofrece este tipo de generación son: fuente limpia, fuente de energía local, doméstica, autóctona y abundante. Por otra parte, entre sus desventajas se.

(29) 13. puede mencionar que su costo inicial es alto con respecto a otro tipo de fuentes de energía, no siempre está disponible, su factor de penetración en sistemas interconectados no es muy alto. Generadores Fotovoltaicos Este tipo de generación usa como fuente primaria la energía solar la cual es transformada en energía eléctrica. Por medio de un material semiconductor (células fotovoltaicas) absorbe radiación solar provocando un desplazamiento de cargas en su interior que dan como resultado la generación de una corriente continua. La estructura de un sistema fotovoltaico está compuesta por módulos colocados en paralelo y en serie a fin de obtener el nivel deseado de voltaje de salida. La capacidad de un módulo varía entre 50 y 240 W, estos módulos pueden ser dispuestos en serie y/o en paralelo en un número tal que; pueda suplir la potencia requerida o de diseño, la eficiencia puede fluctuar entre 10 y 20%. Los sistemas de generación fotovoltaicos se pueden dividir en tres grupos. a. Funcionamiento Aislado. - Adecuado para localizaciones donde no se tiene acceso a la red de distribución. b. Funcionamiento Híbrido. - Se conectan en paralelo con otro tipo de fuente de generación (generador eólico, generador hidráulico, etc.) c. En Paralelo con la Red. - El consumidor puede alimentarse de los paneles fotovoltaicos o de la red. Las ventajas de este tipo de generación son: necesitan poco mantenimiento, no emiten gases contaminantes, son confiables y silenciosos, duran 30 o más años. Por otro lado, entre las desventajas se puede citar que los desechos químicos introducidos en el proceso de la manufacturación pueden producir contaminación del agua, requiere la utilización de grandes superficies colectoras de energía. En la Figura 2.3 se muestra el diagrama esquemático de la generación fotovoltaica..

(30) 14. Figura 2.3 Componentes del Sistema de Generación Fotovoltaico. (Fuente: http://www.arisa.com.mx/plantas.html). Generadores Hidráulicos Este tipo de generación consiste en el aprovechamiento de la energía potencial del agua almacenada en embalses o procedentes de un río para transformar esta energía potencial en energía eléctrica. El proceso de transformación de energía inicia con el aprovechamiento de la energía potencial la cual se transforma en energía cinética en su camino descendente por las tuberías forzadas que a su vez transforma esta energía en energía de presión, que mueve las turbinas del generador produciendo energía mecánica, la que finalmente se transforma en energía eléctrica. La energía cinética depende del caudal y de la diferencia de nivel del agua de la presa y nivel de la turbina. La capacidad de los generadores distribuidos de este tipo de generación es de menor a 1 MW en las redes del presente estudio, el rendimiento esta entre 75 y 90%. Las centrales hidráulicas pueden ser de dos tipos: a. Central de agua fluyente o en derivación. - El caudal de agua proviene de un desvió del cauce natural de un río por medio de un azud, siendo devueltos al río aguas abajo. Este tipo de centrales están en función del régimen hidrológico del curso de agua..

(31) 15. b. Central de embalse o de regulación. - El agua del cauce de un río es embalsado en una presa. El impacto ambiental y altos costos que conllevan el instalar grandes centrales hidráulicas (generación centralizada), abren la puerta al aprovechamiento energético a menor escala de pequeños y medianos cauces de agua que tendrían un impacto considerablemente menor; con esto quedaría justificada la viabilidad y necesidad de optar por centrales hidroeléctricas a menor escala (generación distribuida). Dentro de las ventajas de la generación distribuida de tipo hidráulica se pueden mencionar las siguientes: no requiere de combustibles para llevar a cabo la generación de energía, sino que usa recursos renovables; la turbina hidráulica es una máquina sencilla y eficiente; los precios de mantenimiento son bajos. Una de las desventajas puede ser que la disponibilidad de energía está en función de la hidrología. En la Figura 2.4 se muestra un esquema básico de una central hidráulica a pequeña escala (generación distribuida).. Figura 2.4 Micro Central Hidráulica. (Fuente: https://www.interempresas.net/Energia/Articulos/57268-Micro-Central-Vernis-energiahidraulica-producida-en-casa.html).

(32) 16. Biomasa [5] [7] Si bien este tipo de tecnología no forma parte de las redes de distribución del presente estudio, se la mencionará a continuación solo por fines didácticos. La biomasa es cualquier materia orgánica (restos de organismos que alguna vez estuvieron vivos) susceptible de aprovechamiento energético. El proceso de transformación de energía se da mediante un proceso termoquímico que consiste en la descomposición térmica de la biomasa en diferentes condiciones de oxidación, los pasos para la conversión de energía son los siguientes: ·. Paso 1. La energía interna de la biomasa se transfiere en forma de calor al ser quemada en una caldera.. ·. Paso 2. El agua que circula por una red extensa de tubos que tapizan las redes de la caldera recibe la transferencia de calor de la materia quemada.. ·. Paso 3. El agua pasa a estado de vapor de alta presión debido a su aumento de temperatura (el agua se encuentra en un circuito cerrado).. ·. Paso 4. El vapor entra a gran presión a través de las tuberías en la turbina de la central; este hace girar los álabes (paletas curvas) de la misma dando como resultado energía mecánica.. ·. Paso 5. Las paletas de la turbina hacen girar una bobina en el interior de un campo magnético, generando así energía eléctrica. ·. Paso 6. El vapor pasa a la fase líquida (para su reutilización) por medio de un sistema de condensación, obteniendo así, una transformación de energía interna del vapor a energía interna del medio ambiente.. Dentro de las ventajas de este tipo de generación se pueden mencionar las siguientes: energía limpia (no produce sulfuros) y renovable, disminuye la dependencia externa de combustible, representa un beneficio económico a los proveedores de materia orgánica. Entre las desventajas se pueden citar: alto costo de instalación con respecto a otras tecnologías, grande espacio de instalación para sistema de almacenamiento,.

(33) 17. mayor cantidad de biomasa para producir igual energía que los combustibles fósiles, la energía aprovechada para la obtención de energía eléctrica es de 20-30%. En los últimos años, este tipo de generación ha tenido gran auge; los países industrializados han apostado por implementar centrales de biomasa de gran capacidad. Reino Unido es un ejemplo de esto, tiene una central de biomasa con una capacidad de 740 MW siendo hoy por hoy la más grande del mundo. Es por tanto un incentivo para los países más pequeños para que se inclinen también por esta nueva tendencia de generación la cual está dando buenos resultados. En la Figura 2.5 se muestra un esquema básico de una central de biomasa.. Figura 2.5 Esquema de una Central de Biomasa. (Fuente: http://centralese.blogspot.com/2009/02/centrales-termicas-de-biomasa.html). En la Tabla 2.1 se muestra el rango en el que fluctúan los costos de la energía en función del tipo de tecnología para la generación según datos internacionales. &RVWRGHODHQHUJ¯DHQIXQFLµQGHODWHFQRORJ¯D (µOLFD. )RWRYROWDLFD. +LGU£XOLFD. %LRPDVD. 86'N:K. 86'N:K. 86'N:K. 86'N:K. (QWUH (QWUH (QWUH. . Tabla 2.1 Costo de energía en función de la tecnología (Fuente: www.irena.org/DocumentDownloads/Publications/Renewable_Power_Generation_Costs.pdf).

(34) 18. 2.4 VENTAJAS DE LA GENERACÍON DISTRIBUIDA Tanto para las empresas eléctricas de distribución como para el consumidor, la GD ofrece muchos aspectos positivos los cuales se mencionan a continuación: Para el Productor. ·. Reducción de pérdidas en transmisión y distribución.. ·. Abastecimiento en zonas remotas.. ·. Libera capacidad del sistema.. ·. Mayor control de regulación de voltaje respecto a un sistema radial sin GD.. ·. Reducción de índices de confiabilidad de la red.. ·. Uso de energías renovables (facilidad de adaptación a las condiciones de sitio).. Para el Consumidor ·. Incremento en la confiabilidad. ·. Mejoramiento de la calidad de servicio: TTIK, FMIK.. ·. Reducción de las emisiones contaminantes.. Cabe mencionar que el término TTIK se refiere a “Tiempo Total de interrupción por kVA nominal Instalado” y el término FMIK se refiere a “Frecuencia Media de Interrupción por kVA nominal Instalado”. 2.5 CONDICIONES. DE. OPERACIÓN. DE. UN. SISTEMA. CON. GENERACIÓN DISTRIBUIDA [8] Si bien en Ecuador no existe un código de red que establezca las condiciones de operación de la generación distribuida, se presentan las condiciones deseables que garanticen la continuidad y calidad del servicio eléctrico de un sistema de distribución..

(35) 19. La interconexión de GD puede sin duda afectar un sistema de distribución; por lo tanto, la capacidad máxima permitida debe limitarse para asegurar que el sistema de distribución funcione apropiadamente sin afectar a la calidad de la energía suministrada. A continuación, se mencionan algunas condiciones que debe cumplir la GD en la interconexión desde una perspectiva general. -. El perfil de voltaje debe mantenerse dentro del ±5% del voltaje nominal en el punto de conexión y a lo largo del alimentador. -. La corriente máxima generada por la GD que fluye a través del alimentador no debe afectar a la cargabilidad de los conductores o transformadores del alimentador.. -. El factor de potencia de la GD debe mantenerse dentro del rango permitido por las regulaciones competentes.. -. No debe inyectar en el sistema; armónicos y/o transitorios en magnitudes tales que afecten a la calidad de energía del alimentador.. 2.6 IMPACTOS DE LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA EN UN SISTEMA ELÉCTRICO DE DISTRIBUCIÓN [9] La Generación Distribuida tiene efectos positivos y negativos en una red eléctrica, a continuación, se realiza una breve descripción de los mismos. 2.6.1 EFECTO EN LAS PÉRDIDAS DEL SISTEMA De manera general se puede afirmar que, al inyectar corriente producida por la GD conectado al nodo de la red, se puede disminuir las pérdidas, pues al disminuir la intensidad por una rama disminuye la caída de tensión y por tanto las pérdidas en un tramo de línea, pero si el nivel de penetración de la GD aumenta, afecta a la capacidad térmica de los conductores por lo que las pérdidas más bien aumentan..

(36) 20. Los bancos de capacitores reducen pérdidas al igual que la GD, pero la diferencia fundamental es que, la GD influye en los flujos de potencia tanto activa como reactiva y los capacitores solo influyen en el flujo de potencia reactiva. 2.6.2 EFECTO EN EL FLUJO DE CARGA El impacto que tiene la GD en el flujo de carga tiene que ver con las corrientes y voltajes en los nodos del alimentador, Si en una red que se alimenta desde la subestación, se añade una, o varias fuentes de generación, las tensiones en los nodos de la red tienden a subir debido a que la corriente que fluye desde la subestación hacia las cargas disminuye y las cargas se alimentan desde fuentes más cercanas a ellas además de la fuente principal, esto reduce las caídas de tensión en las líneas. Pero la otra cara de la moneda sería que la inyección de potencia sea mayor a la que los conductores del alimentador soportan y con esto provocar que la capacidad térmica de los conductores sea violada, con lo que aumentaría la resistencia en los conductores y por ende aumentan también las pérdidas. El criterio en este caso sería “deslastrar” GD, con el fin de llevar a la red a un estado de operación normal (entendiéndose por “operación normal” como el estado en que una red opera sin rebasar límites térmicos y de voltajes). En el caso en que la potencia generada por la GD es mayor que la consumida y que el sistema soporta este flujo de carga sin problemas, la potencia sobrante es transferida a través de las subestaciones primarias a la red de trasmisión. 2.6.3 EFECTO SOBRE LAS CORRIENTES DE FALLA Y EQUIPOS DE PROTECCIONES La potencia de cortocircuito en cada nodo se ve afectada por muchos parámetros, uno de ellos es el cambio de topología de la red por conexión de nuevos generadores o cargas. Además, para un evento de fallo, los generadores conectados al sistema contribuyen a la corriente de falla..

(37) 21. Considerando los aspectos mencionados, el sistema de protecciones de la red se verá afectado, debido a que estos equipos han sido diseñados para unos valores de sobrecarga determinados con su respectivo rango máximo de tolerancia, el cual puede llegar a ser el factor limitante de conexión de nuevos generadores, por lo tanto, los equipos de protección deberían ser redimensionados y/o recalibrados (tiempos y capacidad) para los nuevos valores de las corrientes de falla y establecer tiempos de operación de los equipos de protección para las nuevas corrientes de falla. En general, la contribución de los generadores síncronos a la corriente de falla es alta, la de los generadores de inducción es baja, y la de los generadores de corriente continua acoplados al sistema a través de equipos electrónicos, es muy baja. 2.6.4 EFECTOS SOBRE LA CALIDAD DE LA ENERGÍA La instalación de GD afecta de varias formas a la calidad de potencia, entre las cuales se pueden mencionar; la inyección de armónicos en el caso de emplear interfaces con inversores, complicando la operación de los dispositivos reguladores de voltaje; el incremento en el riesgo de presencia de ferro resonancia introduciendo “Flicker” (parpadeo) desde la generación. 2.6.5 EFECTO SOBRE LA CONFIABILIDAD DE UN SISTEMA ELÉCTRICO La presencia de la GD en sistemas de distribución tiene aspectos positivos desde el punto de vista de confiabilidad a la hora de analizar la confiabilidad de dichos sistemas, ya que al convertirse la GD en una alternativa de alimentación para la red, el tiempo de interrupción causado por una falla permanente disminuye para los usuarios aguas abajo del tramo o área que falló, ya que el tiempo de interrupción (por una falla permanente) para dichos usuarios sería aproximadamente el tiempo que conllevaría aislar el tramo que falló y ya no el tiempo de reparación del componente que falló o el tiempo de transferencia de carga a un alimentador vecino, dando como resultado una mejora de los índices de confiabilidad del sistema..

(38) 22. La diferencia fundamental entre contar con una alternativa de alimentación de un alimentador vecino y una alternativa de alimentación con GD es que, con la segunda, la topología de la red no cambia por lo que los tiempos de operación son menores que cuando se hace transferencia de carga y luego de reparado el componente se tenga que volver a la topología inicial. En la sección 2.7.5 se amplía de mejor manera el efecto que tiene la GD en la confiabilidad de un SEP. 2.7 CONFIABILIDAD DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN 2.7.1 DEFINICIONES BÁSICAS. [10] [11] Confiabilidad La confiabilidad es la probabilidad de que un componente o sistema cumplirá su función de modo satisfactorio durante un periodo de tiempo determinado en un entorno natural. Confiabilidad de Sistemas de Distribución Es la capacidad para abastecer de servicio de energía eléctrica con el mínimo de interrupciones, como calidad de servicio técnico, comercial y producto. Seguridad La habilidad o respuesta del sistema ante una determinada contingencia, viene dada por el tipo de respuesta que tenga el sistema. Suficiencia La habilidad que posee el sistema eléctrico de distribución para abastecer los requerimientos de energía a los consumidores en todo instante, en consideración de salida tanto programadas como intempestivas razonablemente esperadas. Guarda.

(39) 23. relación con la planificación del sistema (márgenes de reserva, capacidad en los distintos elementos del sistema, adecuado diseño). Falla y Defecto Es la incapacidad de un componente o sistema de desempeñar una función requerida; defecto es una imperfección en el estado del componente. Disponibilidad Es el porcentaje de tiempo de un componente o sistema reparable en que trabaja o está listo para trabajar en óptimas condiciones Indisponibilidad Es el porcentaje de tiempo de un componente o sistema reparable de estar fuera de servicio debido a fallas o a salidas programadas. Operación Aplicación del conjunto organizado de las técnicas y procedimientos consignados al uso y funcionamiento adecuado del equipo Mantenimiento Conjunto de acciones y procedimientos orientados a revisar y/o reparar indeterminado equipo para mantenerlo disponible y en operación. Reparación Es toda tarea que se efectúa en un componente a fin de restablecer su estado de disponibilidad luego de la falla. Desconexión Estado de no disponibilidad de un componente de la red, produzcan o no interrupción del suministro..

(40) 24. Reconexión Es el procedimiento mediante el cual se lleva un sistema de distribución de un estado de reposo a un estado de operación normal. Tramos de una troncal En este estudio se considera que un tramo es la sección que se establece entre dos puntos de la troncal, dichos puntos son sitios en los que se sitúan equipos de maniobra o seccionamiento. Un tramo puede estar establecido también entre un punto (seccionamiento) de la troncal y el final del circuito 2.7.2 COMPONENTES DE UN SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN [12]. Figura 2.6 Esquema de un Sistema de Distribución. (Fuente: Referencia [12]. Página 15).

(41) 25. Esencialmente un sistema de distribución se compone de elementos como: equipos de maniobra y protección, subestaciones de reducción, transformadores de distribución, líneas de distribución, cargas. Según su disposición las líneas del alimentador se dividen en la troncal y ramales primarios y secundarios. Los índices de confiabilidad de las componentes de un sistema de distribución se determinan basándose en aspectos como: donde se produce la falla, número de interrupciones, duración de la falla etc. Componentes en Serie Un sistema serie o radial se caracteriza por tener una sola trayectoria para el flujo de potencia entre la subestación de distribución y los consumidores, es un sistema compuesto de dos o más componentes reparables e independientes entre sí, conectados en serie.. ߣଵ ߤଵ. ߣଶ ߤଶ. ߣ௦ ߤ௦. Figura 2.7 Sistema de dos componentes en serie (Fuente: Referencia. [12]). ߣ ൌ Frecuencia de falla. ߤ ൌ Frecuencia de reparación. Los parámetros ߣ y ߤ se definen como:. ߣൌ. ߤൌ. ï À . ï À × . La probabilidad de operación de un sistema en serie está dada por:.

(42) 26. ሺop )=. ߤ௦ ߣ௦ ൅ ߤ௦. . ሺʹǤͳሻ. Para el sistema de la Figura 2.7 se tienen las siguientes ecuaciones Tasa de falla del sistema. . ɉୱ ൌɉଵ ൅ɉଶ. Tiempo medio de reparación del sistema. rୱ =. . ሺʹǤʹሻ. 1 λ1 r1 +λ2 r2 ൅ ɉଵ r1 ɉଶ r2 = ሺʹǤ͵ሻ ɉୱ Ɋୱ. En la ecuación (2.3) el valor de ߣଵ r1 ߣଶ r2 es despreciable respecto a λ1 r1 y λ2 r2 por lo tanto:. ୱ ൌ. ͳ ɉͳ ͳ ൅ɉʹ ʹ ൌ ሺʹǤͶሻ ɉୱ Ɋୱ. Tiempo de interrupción del sistema ɊS ൌ ɉୱ rs. . . . . ሺʹǤͷሻ. Para un sistema de n componentes se puede generalizar las ecuaciones (2.2) (2.4) y (2.5) de la siguiente forma: n. λS = ෍ λ௜ i=1. . ሺʹǤͷሻ. σni=1 ߣi ‫ݎ‬i rS ൌ ሺʹǤ͸ሻ λS ௡. ɊS = ෍ ߣi ‫ݎ‬i i=1. . ሺʹǤ͹ሻ. Componentes en Paralelo Un sistema paralelo se caracteriza por tener dos trayectorias para el flujo de potencia desde la subestación hacia los consumidores, es un sistema compuesto por dos a más componentes reparables e independientes entre sí, conectados en paralelo..

(43) 27. ߣଵ ߤଵ. ߣ௣ ߤ௣. ߣଶ ߤଶ. Figura 2.8 Sistema de dos componentes en paralelo. (Fuente: Referencia. [12]). La probabilidad de que un sistema en paralelo esté en el estado de falla está dado por la ecuación: P(fa) =. Ɋ୮ Ɋ ୮ ൅ ɉ୮. (2.8). Un sistema formado por dos componentes en paralelo como se muestra en la Figura 2.8 tiene las siguientes expresiones: Tasa de falla del sistema: λp ൌ. ߣଵ ߣଶ ሺ‫ݎ‬1 ൅ ‫ݎ‬2 ሻ ሺʹǤͻሻ ͳ ൅ ߣଵ ‫ݎ‬1 ൅ߣଶ ‫ݎ‬ଶ. La expresion ߣଵ ‫ݎ‬1 ൅ߣଶ ‫ݎ‬ଶ es mucho menor que 1 por lo tanto:. λp ൌ ߣଵ ߣଶ ሺ‫ݎ‬1 ൅ ‫ݎ‬2 ሻሺʹǤͳͲሻ. Tiempo medio de reparación del sistema. ‫ݎ‬p ൌ. ଵ 2 1 ൅ 2. Tiempo de interrupción del sistema: Ɋp =λp rp. . . ሺʹǤͳͳሻ. ሺʹǤͳʹሻ.

(44) 28. 2.7.3 SISTEMA RADIAL [13] La Figura 2.9 muestra un sistema de distribución radial. Este sistema consta de una sola fuente de potencia (Subestación S/E) para alimentar a todo el sistema.. B. SW4 S/E. Interruptor SW3. SW1. D. SW6 SW5. SW2. A. C. Figura 2.9 Sistema de Distribución Radial.. La falla de algún componente entre la S/E y los consumidores, provocará una interrupción del suministro de energía a todas las cargas aguas abajo del componente que ha fallado. 2.7.4 SISTEMA RADIAL CON ALTERNATIVA DE ALIMENTACIÓN [13] Este tipo de arreglo brinda una mayor confiabilidad al sistema. Se puede ver en la Figura 2.10 como la instalación dispone de dos “alternativas de alimentación” para suministrar energía a la carga; una de estas no alimenta al sistema, sino que su conectador SW6 está en la posición de NA (normalmente abierto). En el caso de que se suscite una falla en la S/E1, dicha falla será despejada por el “Interruptor” con lo que se procedería a cerrar SW6 permitiendo que los consumidores recuperen el suministro de energía a través de la “fuente alternativa” S/E2 mientras la reparación de S/E1 se lleva a cabo..

(45) 29. B. SW4 S/E1 Interruptor. NA SW3. SW1. S/E2. SW6 SW5. SW2. C. A. Figura 2.10 Sistema de Distribución con Fuente Alternativa.. 2.7.5 SISTEMA RADIAL CON GENERACIÓN DISTRIBUIDA [13]. B. SW4 S/E1 Interruptor. NA SW3. SW1. S/E2. SW6. SWGD SW5. SW2 GD A. C. Figura 2.11 Sistema de Distribución Mallado con GD. Como se indica en la Figura 2.11, añadiendo a la red una fuente de generación distribuida, se puede mejorar aún más la confiabilidad de un sistema con la estructura mencionada en la sección 2.7.4 la cual disponía de S/E2 como única alternativa de alimentación..

(46) 30. En caso de una falla en S/E1 se dispondría de dos fuentes alternativas: S/E2 (cerrando SW6) y GD, para suplir el requerimiento de energía de los consumidores. De esta manera se mejora la continuidad del servicio eléctrico; ya que se aprovecharía de la generación cercana a la carga (fuentes renovables) como un recurso adicional; colaborando a la fuente S/E2 para que no sea violada su limitación de capacidad máxima, ni degradada su calidad de energía; especialmente en horas de demanda pico. 2.7.6 INTERRUPCIONES [14] Una interrupción es el no abastecimiento de suministro eléctrico a uno o más usuarios o equipos; puede ser provocado por la salida de servicio de uno o más componentes, dependiendo de la configuración del sistema. Según la regulación de CONELEC No. 004/01 con respecto a la calidad de servicio “se consideran todas las interrupciones mayores a 3 minutos, incluyendo las de origen externo, debidas a fallas en transmisión. No se considerarán las interrupciones con duración igual o menor a 3 minutos.” [14] La misma regulación sigue diciendo: “No se consideran las interrupciones de un consumidor en particular causadas por fallas en sus instalaciones, siempre que ellas no afecten a otros Consumidores” [14], además no se consideran pero sí se registran “las interrupciones debidas a suspensiones generales del servicio, racionamientos, desconexiones de carga por baja frecuencia” [14], y por último se menciona que “en el caso de que las suspensiones generales del servicio sean producidas por la Empresa Distribuidora, estos si serán registrados” Clasificación de las Interrupciones Las interrupciones se pueden agrupar como sigue: a) Por su duración. -. Momentáneas, duración igual o menor a 3 minutos. -. Larga, duración mayor a 3 minutos.

(47) 31. ·. Temporal, restaurado manualmente de 30 minutos a 2 horas.. ·. Permanente, restaurado cuando un componente es reparado o reemplazado.. b) Por su origen. -. -. Externas al sistema de distribución; Causan salidas forzadas ·. Otro Distribuidor. ·. Transmisor.. ·. Generador. ·. Restricción de carga. ·. Baja Frecuencia. ·. Otras. Internas al sistema de distribución, provocados por componentes internos. ·. Programadas. ·. No Programadas. c) Por su causa. -. -. Programadas ·. Mantenimiento. ·. Ampliaciones. ·. Maniobras. ·. Otras. No programadas (intempestivas, aleatorias o forzadas) ·. Climáticas. ·. Ambientales.

(48) 32. ·. Terceros. ·. Red de alto voltaje. ·. Red de medio voltaje. ·. Red de bajo voltaje. ·. Otras. d) Por el voltaje nominal -. Bajo voltaje. -. Medio voltaje. -. Alto voltaje. 2.7.7 TIEMPO DE INTERRUPCIÓN [15] El tiempo total de interrupción obedece a la clase de protección asociada y al tipo de trabajo que se debe realizar para restituir el servicio eléctrico (reparaciones, cambio, limpieza, maniobras de transferencia etc.) luego de ocurrir una falla. Ocurrencia. Ciclo de. Restablecimiento. de la falla. maniobras. del servicio. Figura 2.12 Ciclo del Tiempo de Interrupción Tipo Elemento Tiempo de Interrupción 5HVWDEOHFLEOH. WFWSWO. 7UDQVIHULEOH. WFWSWOWWWY. ,UHVWDEOHFLEOH. WFWSWOWU. Tabla 2.2 Tiempos de Interrupción. A continuación, se describen cada uno de los tiempos descritos en la Tabla 2.2.