INTRODUCCIÓN TEÓRICA

Es de suma importancia el hecho del control de la calidad de servicio y suministro de la energía eléctrica, ya que, con el avance tecnológico y el crecimiento demográfico a nivel mundial, se hace imprescindible una política de control de calidad que asegure a los usuarios finales las mejores condiciones de abastecimiento del servicio.

La calidad de servicio eléctrico (CSE) es un campo de trabajo e investigación que ha adquirido una enorme importancia en los últimos años, debido a la incorporación de la electrónica de potencia a los sistemas eléctricos y también, por la aparición de novedosas formas de gestión, operación y control de dichos sistemas.

El marco regulatorio de la industria eléctrica vigente está compuesto por una serie de leyes, reglamentos y normas, que regulan la producción, transporte, distribución y comercialización de energía eléctrica y comercialización a los servicios complementarios a estas actividades y los servicios asociados al suministro de electricidad.

Generalmente en los casos en que las distribuidoras no cumplan con los parámetros determinados de calidad y/o se detecta errores en la información obtenida, se aplican penalidades que después se ven reflejadas en las cuentas del usuario.

Los entes regulatorios funcionan de la siguiente forma, para ellos un servicio eléctrico de calidad significa:

Continuidad de servicio eléctrico. Suministro eléctrico con un adecuado nivel de tensión. Correcta lectura del consumo y oportuno envío de la factura Debida atención y resolución de reclamos.

Específicamente estos aspectos pueden ser, la frecuencia (cantidad) y duración de las cantidades de interrupciones de suministro (calidad de servicio técnico), el nivel de tensión (alta o baja) y las perturbaciones de la energía suministrada (flickers y armónicas) (calidad de producto técnico), la atención comercial de la distribuidora a los usuarios (calidad comercial).

Las empresas reguladoras para la fiscalización, implementan:

Procedimientos para el control de calidad Miden a través de los indicadores, los distintos aspectos del nivel de la calidad a nivel

de cada usuario. Verifican, mediante la lectura de los indicadores, si la calidad del servicio se encuentra

dentro de los límites establecidos. Aplican penalidades cuando la calidad observada se aparta de los límites establecidos.

CONFIABILIDADLa definición de confiablidad ampliamente aceptada es la siguiente: confiabilidad es la

probabilidad de que un equipo cumpla con su desempeño adecuadamente en un periodo de tiempo determinado bajo las condiciones operacionales en las que se encuentre.

ANÁLISIS MATEMÁTICO DEL PROBLEMA DE CONFIABILIDAD

En Chile la Comisión Nacional de Energía (CNE) y la Superintendencia de Electricidad y Combustibles (SEC), han creado un mecanismo de regulación tal que permita medir en un conjunto de índices de calidad, la percepción del cliente con respecto a la calidad del suministro entregado.

Para el caso de estudio, se analizarán el FMIK y TTIK, índices relacionados con la frecuencia y el tiempo de interrupción del servicio eléctrico en un sistema.

A saber:

El índice TTIK será explicado más adelante, el cual es obtenido multiplicando el FMIK por el promedio de horas de falla por año.

En general los Sistemas de Distribución operan en forma radial o arborescente. Un alimentador está compuesto por, tramos de línea, cables, dispositivos de interrupción, de protección entre otros. Según este tratamiento y desde el punto de vista de confiabilidad, se puede asumir que estos componentes están conectados en serie y que cada elemento conectado o presente en el alimentador presenta su propia tasa de falla. Este factor está influenciado por el aspecto constructivo del alimentador y por el medio donde se encuentre inserto y para reducirlo o hacerle frente es necesario usar componentes más confiables cuyo comportamiento se pueda describir por la siguiente curva.

Figura. Curva de la bañera

La tasa de de falla, está definida por:

λ= Numero de fallas porunidad de tiempoNume ro decomponentes expuestos a falla

Caso Base de estudio

Consideraciones:

Tasas de falla: Tasa de falla constante: se considera el valor promedio anual Se establece una estadística de falla por tramo de línea, con el fin de integrar

la influencia de los arranques relevantes de la línea troncal en el análisis.

Esta tasa de falla constante y conocida es usada para simplificar el análisis de la línea (considerar que la tasa de falla del alimentador principal no necesariamente puede ser igual al de los arranques).

Potencia conectada en cada arranque es la misma y constante Alimentador de longitud L (KM) y an arranques. Longitud b/2 (KM) de cada arranque Reconectadores en x=0 (KM) y x=L/2 (KM) Solo se produce una falla a la vez

Las fallas hacen actuar los equipos de protección, presentes en el alimentador (Reconectadores y Fusibles), luego la tabla obtenida a partir del caso base es:

Tabla.- Tabla de eventos para cálculo del índice de frecuencia

Entonces la frecuencia de interrupción total, que es obtenida como la suma de las frecuencia de interrupción individuales es:

Luego el índice de frecuencia de falla FMIK, queda dado por:

De donde se deduce que los eventos de falla que afectan al alimentador troncal, tienen mayor incidencia en el índice de frecuencia.

El presente informe se centrará en el trabajo de la obtención de estos índices en el sistema base de la experiencia Nº1 y como poder mejorarlos. Todo esto, bajo el supuesto teórico del caso presentado anteriormente.

A continuación se presenta una síntesis de la normativa nacional, en relación a los indicadores de continuidad. Para ello se hace referencia al Decreto Nº327 Reglamento de la Ley General de Servicios Eléctricos y la norma técnica de calidad de suministro y servicio.

Síntesis de la normativa chilena en cuanto a índices de confiabilidad

Exigencias para estándares de seguridad y calidad de servicio

En resumen la norma técnica de calidad y servicio busca definir las exigencias mínimas para la seguridad y calidad de servicio de los sistemas eléctricos, esto para todas las condiciones de operación considerando a cada sistema interconectado operando en forma integrada o disgregado en islas eléctricas.

De acuerdo a la norma, los estándares de seguridad y calidad de servicio serán aquellas exigencias aplicables a la operación del sistema interconectado en función del estado en que se encuentra operando el SI, conforme a la siguiente agrupación:

a) Estado Normal.b) Estado de Alerta.c) Estado de Emergencia.

De acuerdo a los estándares de calidad del suministro en instalaciones de generación y transmisión, la calidad del suministro de energía eléctrica se evaluará a través de la frecuencia de las interrupciones, la potencia interrumpida en cada una de ellas y el tiempo total que se encontró fuera de servicio la instalación afectada. Para ello Se considerará instalación afectada a toda aquella cuya salida de servicio produzca la interrupción del flujo de potencia establecido a través de ésta.

Cuando el sistema sufra desconexiones en sus puntos de generación o bien en un punto del sistema de transmisión se pueden medir sus efectos a través de los índices de continuidad FMIK y TTIK cuyas siglas significa “frecuencia media de interrupción por kva” y “tiempo total de interrupción por kva” respectivamente. Estos índices se pueden calcular según las siguientes expresiones:

En donde se tiene que:

KVAfsi Potencia interrumpida en el punto de conexión, expresada en [kVA]. En los casos en que no exista equipamiento de transformación, se computará la potencia que estaba siendo transportada antes de la interrupción a través de la instalación afectada. De no resultar posible su determinación se la considerará igual a la potencia máxima transportada por la instalación afectada en el período controlado.

KVAinst Potencia instalada en el punto de conexión, expresada en [kVA]. En los casos en que no exista equipamiento de transformación se considerará la potencia máxima transportada por la instalación afectada en el período controlado.

Tfsi Tiempo de duración de cada interrupción.n Número de interrupciones.

Por otra parte la evaluación del desempeño del control de frecuencia del sistema interconectado se realizará a través del cálculo de factor de eficiencia del control de frecuencia (FECF) para cada hora denotada por “k”. Este factor se calculará como sigue:

En donde se tiene que:

Desviación máxima instantánea del valor filtrado de medición de la frecuencia.

Corresponde a la desviación máxima de frecuencia en estado permanente que agota la totalidad de la reserva asociada al control primario de frecuencia.

Por otro lado cuando se trata de estandares de recuperación dinámica en estado normal y de alerta, cuyas condiciones se reflejan inmediatamente después de una contingencia simple, los centros de despacho y control tienen la facultad para operar los elementos serie del sistema de transmisión manteniendo la corriente transportada en un valor que este bajo el valor límite de sobrecarga admisible de corta duración, el cual está previamente definido. Para efectos de lo señalado anteriormente, se entenderá por corta duración al período de duración igual a 15 minutos.

Ahora bien, cuando ocurre un caso de anormalidad en el sistema (que puede ser producto de una contingencia) se recurre a un indicador denominado coeficiente de amortiguación el cual refleja las oscilaciones electromecánicas y que se mide sobre las oscilaciones de potencia activa en la línea de transmisión que transporta mayor potencia y cuya localización sea la más cercana al lugar de ocurrencia de la contingencia, deberá tener un valor mínimo del 10 %.

La determinación del factor de amortiguación se realizará a través de la medición de los máximos de la onda de potencia activa en la línea de transmisión evaluada, correspondientes a dos semiciclos consecutivos de igual signo, ya sea positivo o negativo, sean A1 y A2 respectivamente, y a continuación, se calculará el coeficiente RA (relación de atenuación) mediante el cuociente entre A2 y A1. El factor de amortiguación ζ por tanto, se obtendrá aplicando la siguiente fórmula:

Cuando se trata de márgenes de estabilidad y seguridad en estado normal y estado de alerta el centro de control y despacho, y los centros de control, según corresponda, operarán los elementos series del sistema interconectado con una potencia máxima (Pmáxima) que asegure en todo momento el margen de seguridad para la operación (MSO) definido por la dirección de operación del CEDEC. Esta potencia máxima se calcula como sigue:

Estudios para la programación y calidad del servicio

De acuerdo a lo establecido en la Norma Técnica de Calidad y Seguridad de Servicio, en su Capítulo Nº 6, la Dirección de Peajes de cada CDEC debe realizará un Estudio de Continuidad.

El principal objetivo del estudio se encuentra definido en el título 6-4 de la norma técnica, en el cual se establece la elaboración del estudio con periodicidad al menos anual para determinar los valores esperados de los índices de continuidad FMIK y TTIK del sistema interconectado para un horizonte de operación de 12 meses

Por otro lado y desde el punto de vista legal se definen los siguientes puntos:

a) El estudio deberá identificar los indicadores FMIK y TTIK en todos los puntos de conexión de las Instalaciones de Clientes.

b) Establece la elaboración de un modelo probabilístico adecuado para realizar cálculos de Calidad del Suministro mediante el uso de un modelo de flujo de potencia.

c) Representar adecuadamente las capacidades máximas de las unidades generadoras, los límites de tolerancia aceptados para las excursiones de la tensión en todas las barras del Sistema de Transmisión, la curva normalizada de duración anual de la demanda del SI y su apertura por barra del Sistema de Transmisión, y las tasas de falla y reparación de los componentes del SI obtenidos de estándares internacionales.

d) Se analizarán todos los modos de falla que representen las desconexiones intempestivas de las instalaciones del SI para situaciones de operación con todos los elementos disponibles y con un Elemento Serie fuera de servicio por mantenimiento programado.

e) Se determinará la probabilidad y frecuencia de falla en el abastecimiento de la demanda para cada barra y se realizará el cálculo de los índices de continuidad esperados, a nivel global y por barra.

2.2.- Utilizando como base el caso del alimentador utilizado en la primera experiencia y para las tasas de falla y duraciones indicadas en la siguiente tabla, calcular los indicadores FMIK y TTIK del alimentador.

DESDE HASTA TASA DE FALLAS (FALLAS/AÑO) DURACIÓN INTERRUPCIÓN (HORAS/FALLA)S/E1 X1 2 0,5X1 X2 2 0,5X2 X5 4 0,6X5 X3-X4 4 1X5 X6-X7-X8 3 1,5X5 X9 0 0X9 X12 7 1

X12 X13 4 2X9 X10 2 0,8

X10 X11 1 0,7X9 X14 2 2,5

X14 S/E2 1 2

El Sistema empleado es:

Carga Potencia (KVA) Factor de potencia Factor de carga Potencia Máxima (KVA)X1 300 0,93 0,6 300X2 300 0,93 0,55 300X3-X4 600 0,85 0,65 1200X5 600 0,9 0,9 600X6-X7-X8 1000 1 0,6 3000X9 600 1 0,7 600X10 750 0,75 0,68 750X11 1000 1 1 1000X12 600 0,93 0,65 600X13 300 0,93 0,3 300X14 800 0,93 0,5 800

Para comenzar la resolución del problema, el sistema se simulo en ETAP, con el fin de obtener las potencias a circular por las líneas y demandas por las cargas. Para el procedimiento de trabajo se hizo una serie de suposiciones.

Se trabajo solo con una subestación. La potencia instalada, fue equivalente en nuestro caso, a la potencia

suministrada por la subestación, en el primer caso de alimentación a toda la red y sin fallas.

Para el cálculo de los índices de confiabilidad, se hizo el supuesto que los tramos fallados eran aislados con equipos de protección, al inicio del tramo fallado.

Con todas estas consideraciones se procedió a hacer un estudio por tramo, en el cual se iba observando la potencia que iba a ser afectada ante una posible falla, el procedimiento fue el mismo para todos los cálculos.

Figura.- Simulación de caso base

Según los datos obtenidos, se procede a hacer el cálculo de los índices de confiabilidad, según la siguiente ecuación:

La tabla obtenida es la siguiente:

SE/1 Alimentando

Desde Hasta

KVAInterrumpid

o KVA instaladoKVA/KVA instalado

TASA DE FALLAS (FALLAS/AÑO)

DURACIÓN INTERRUPCIÓN (HORAS/FALLA) FMIK TTIK

SE/1 x1 9041 9041 1 2 0,5 2 1

x1 x2 8726 9041 0,9652 2 0,5 1,9303 0,9652

x2 x5 8399 9041 0,9290 4 0,6 3,7160 2,2296

x5 x3-x4 1179 9041 0,1304 4 1 0,5216 0,5216

x5 x6-x7-x8 2945 9041 0,3257 3 1,5 0,9772 1,4658

x5 x9 3822 9041 0,4227 0 0 0,0000 0,0000

x9 x12 876 9041 0,0969 7 1 0,6782 0,6782

x12 x13 292 9041 0,0323 4 2 0,1292 0,2584

x9 x10 1596 9041 0,1765 2 0,8 0,3531 0,2824

x10 x11 973 9041 0,1076 1 0,7 0,1076 0,0753

x9 x14 779 9041 0,0862 2 2,5 0,1723 0,4308

x14 SE/2 0 9041 0 1 2 0 0

De donde se desprende que el sistema presenta un FMIK Promedio y TTIK promedio igual a:

FMIK (PROMEDIO)

TTIK (PROMEDIO)

0,8821 0,6589

¿Qué ocurre si la tasa y/o la duración de falla se reduce a la mitad?, ¿Cómo en la práctica se podrían producir tales reducciones?

Significa que el tiempo de interrupción por KVA en el sistema, disminuye a la mitad.

Una forma de minimizar las frecuencias de falla en un alimentador es una conexión en la línea, de un mayor número de equipos de protección (reconectadores, por ejemplo) y/o equipos de maniobra (seccionadores, por ejemplo), los cuales permiten despejar las fallas y minimizar la cantidad de usuarios sin suministro. Esta es una de las estrategias más utilizadas.

2.3. Considerando sólo la instalación de reconectadores en la troncal del alimentador, construya los gráfico FMIK y TTIK versus N° de reconectadores (elija aleatoriamente la ubicación de los reconectadores).

Sensibilice respecto de la tasa de falla (revisar lo que ocurre si la tasa de falla es uniforme para cada tramo del alimentador y las duraciones son todas iguales).

Al hacer un análisis más exhaustivo de la ecuación de la frecuencia media de interrupción por KVA (FMIK), se muestra que los eventos que afectan la línea troncal tienen mayor importancia en el índice de frecuencia. Por lo que se deduce de este resultado que se debe enfocar en su mayoría, los análisis de prevención de fallas en la línea troncal.

Los reconectadores son equipos de protección que permiten la reposición del servicio sin necesidad de desconexiones operacionales.

CONCLUSIONES

En relación a la incorporación de equipos de protección en la red, se puede mencionar que:

Para evitar sanciones económicas, por parte de los entes reguladores (SEC) o compensaciones económicas a los clientes, las empresas de distribución deben invertir en mejoras de confiabilidad de sus redes, lo que implica en la práctica incorporar equipos de protección y/o maniobra o elementos de mayor tecnología, como reconectadores.

El objetivo principal de estas inversiones en tecnología, está asociada a la disminución de los índices asociados a tiempos y frecuencias de falla (TTIK y FMIK, por ejemplo). Sin embargo la inversión es justificada, cuando la eficiencia de la red, retribuya en el tiempo, las multas por corte de suministro a clientes.

En la relación a la posible incorporación de la subestación 2:

En presencia de dos fuentes la línea tiene un comportamiento redundante desde el punto de vista de análisis de falla, por lo que el aporte en condiciones de falla es la suma directa del aporte de cada una.

Se investigo que la introducción de un equipo de estado cercano a la subestación dos, en caso de que está este operando, minimiza el FMIK y lleva a que las cargas cercanas a la subestación 2, tengan mayor incidencia que cuando solo estaban en presencia de SE1. Esto da a pensar que el número de reconectadores en la línea troncal influye en el peso que toman los arranques sobre la misma, por lo que es necesario un análisis técnico económico entre las cantidades de reconectadores a utilizar y la transformación de arranques importantes en nuevas líneas troncales.

ANEXO:

CLASIFICACIÓN DE LAS CARGAS DE ACUERDO A SU CONFIABILIDAD

Teniendo en cuenta, las repercusiones negativas que pueden sufrir los usuarios ante algún tipo de interrupción de energía en el sistema, las cargas se clasifican así:

1. Cargas de primera categoría

Son aquellas en las que una interrupción corta en el suministro de energía eléctrica causa importantes perjuicios al consumidor (riesgo de muerte, daños en procesos de fabricación en masa, daños a equipos costosos como computadores y máquinas controladas por sistemas electrónicos, centros hospitalarios, sistemas masivos de transporte, etc). Estas cargas deben tener sistemas alternos de alimentación con conmutación automático y plantas de emergencia (autogeneración).

2. Cargas de segunda categoría

Bajo esta categoría se clasifican todas las cargas en las que una pequeña interrupción (no mayor de 5 minutos), no causa grandes problemas al consumidor. Pertenecen a este grupo las fábricas medianas que no tienen complicados y delicados procesos de fabricación pero que causan desocupación de empleados y obreros, etc.

3. Cargas de tercera categoría

Se clasifican aquí el resto de consumidores, los cuales pueden tener un tiempo de interrupción en un intervalo, en un mes durante el cual no se causa mayores perjuicios. Son entonces los usuarios residenciales, poblaciones rurales, pequeñas fábricas, etc.