Fundacin Universidad Nacional de San Juan-Instituto de Energa
Elctrica DESPACHO DE GENERACION HIDROTERMICO CORPORACIN CENACE
CURSO DE POSGRADO: OPERACIN DE SISTEMAS ELCTRICOS DE POTENCIA
MODULO VII DESPACHO DE GENERACION HIDROTERMICO: PRINCIPIOS BASICOS
Y RESTRICCIONES FUNDACIN UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN JUAN INSTITUTO
DE ENERGA ELCTRICA Quito, Ecuador, julio del 2001. Fundacin
Universidad Nacional de San Juan-Instituto de Energa Elctrica
DESPACHO DE GENERACION HIDROTERMICO MODULO VII DESPACHO DE
GENERACION HIDROTERMICO: PRINCIPOS BASICOS Y RESTRICCIONES Autor:
Ing. Benjamn R. Serrano INSTITUTO DE ENERGIA ELECTRICA UNIVERSIDAD
NACIONAL DE SAN JUAN Fundacin Universidad Nacional de San
Juan-Instituto de Energa Elctrica DESPACHO DE GENERACION
HIDROTERMICO I CURSO DE POSGRADO: OPERACIN DESISTEMAS ELCTRICOS DE
POTENCIA MODULO VII: DESPACHO DE GENERACIN HIDROTERMICO: PRINCIPIOS
BASICOS Y RESTRICCIONES INSTITUTO DE ENERGIA ELECTRICA UNIVERSIDAD
NACIONAL DE SAN JUAN INDICE DE CONTENIDOS 1.Introduccin 2.Modelacin
de los componentes de los " SGTEE"en relacin con la programacin de
la operacin 2.1Aprovechamientos hidroelctricos 2.1.1Descripcin
General 2.1.2Clasificacin de los aprovechamientos hidroelctricos
2.2Centrales trmicas 2.2.1Caracterizacin general 2.2.2Descripcin de
los diferentes tipos de centrales trmicas 2.2.3Combustibles
2.2.4Funcin de Produccin 2.3Centrales de acumulacin por bombeo
Fundacin Universidad Nacional de San Juan-Instituto de Energa
Elctrica DESPACHO DE GENERACION HIDROTERMICO II2.4Demanda.
2.4.1Introduccin. 2.4.2Perodo de anlisis y aplicaciones.
2.4.3Factores que afectan la demanda. 2.4.4Parmetros caractersticos
de la demanda. 2.4.5Modelos de representacin de la demanda. 2.5Red
de transmisin 3.Requerimientosnormativosparalasmodelacionesquedeben
ser utilizadas en el " MEM"Argentino 3.1Modelacin estacional
3.2Modelacin semanal 3.3Modelacin diaria
4.Modelacionesutilizadasparalaprogramacindelaoperacin del "
MEM"Argentino 4.1Descripcin de los modelos y herramientas de clculo
4.2Horizontes de modelado. Paso de clculo 4.3Conceptos considerados
en el modelado 5.Operacin en tiempo real extendido 5.1Estimacin de
estado 5.2Despacho econmico restringido Fundacin Universidad
Nacional de San Juan-Instituto de Energa Elctrica DESPACHO DE
GENERACION HIDROTERMICO 11.INTRODUCCIN Importancia de la
Planificacin y Programacin de la Operacin
Laoperacineconmicaptimajuntoconlaplanificacindelossistemasde
generacin y transporte siempre ha ocupado en forma creciente un rol
muy importante por las implicancias econmicas en costos de
combustibles que requiere esta industria, principalmente en
aquellos pases que deben importar grandes cantidades. Al aspecto
econmico debe sumarse el hecho de que los combustibles fsiles no
son renovables y
lascrisishistricasreferidasalasescaladasdepreciosdelosmismos.Tngase
presentequeunpequeoporcentajerepresentaimportantesvaloresabsolutosde
dinero y que en los ltimos tiempos el concepto del dficit de energa
es cuantificado con valores varias veces superior al de la energa
suministrada. El Problema de la Programacin Optima de la Operacin
El suministro con mnimo costo de la energa elctrica requerida por
los consumidores, respetando adems todas las restricciones tcnicas,
requiere la realizacin de mltiples tareas de planificacin. La tarea
global involucra tanto la planificacin de la expansin del parque de
generacin y de la red de transmisin como la programacin ptima de la
operacin. El criterio econmico seleccionado para calcular la
programacin ptima de la operacin se puede representar
matemticamente por una funcin objetivo (F.O.) tal como la expresada
en la ecuacin (1.1). F. O. = (Costo Operacin + Costo Falla) Mnimo
(1.1)
Paraelsistemayadefinidoydadoquelaenergaelctricanoesalmacenableen
grandescantidadesenformaeconmica,laoperacindebeseradecuadamente
planificada.Laprogramacindelaoperacininvolucralatomadeunaseriede
decisiones tendientes a definir de entre las unidades generadoras
disponibles: cuales,
enquperododetiempoyconqupotenciasdebenserpuestasenservicio,de
manera de suministrar con mnimo costo la energa elctrica requerida
por los usuarios.
Laresolucindelproblemaglobaldelaplanificacindelaoperacinrequierela
subdivisinentareasparciales.Enlafigura1.1semuestraunposibleesquemade
optimizaciones superpuestas. Dado el acoplamiento existente entre
los diferentes niveles de solucin, el tratamiento
enetapasdelproblemaglobal,proporcionaunamuybuenaaproximacin.
Considerando que los resultados de cada subproblema son utilizados
como datos de entrada y/o restricciones para la solucin del
subproblema siguiente, se puede esperar que la solucin alcanzada
estar muy cercana a la solucin ptima. La definicin del plan ptimo
de mantenimiento del parque de generadores representa una compleja
tarea de optimizacin. Los diferentes procedimientos de solucin que
han sido desarrollados, pueden clasificarse en general en dos
grupos, segn sea el objetivo considerado. Por una parte estn los
procedimientos que optimizan la potencia total de reserva y por
otro los procedimientos que tienen como objetivo la minimizacin de
los costos totales de operacin. Los ciclos de mantenimiento de cada
unidad generadora son dependientes de la antigedad de la misma y
varan segn el tipo de central. El Fundacin Universidad Nacional de
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HIDROTERMICO
2intervalodetiempoquedebeconsiderarseparaabarcarlosdistintosciclosde
mantenimiento de un parque de generacin heterogneo, alcanza entre 1
y 3 aos. Para la programacin de la operacin de largo plazo, el
perodo de anlisis depende de la duracin de las restricciones
asociadas a los balances energticos. Ejemplo de tales restricciones
son las cantidades anuales mximas de energa que es posible generar
porcentral(ogrupodecentrales),debidoaladisponibilidadlimitadadeenerga
primaria (agua o combustibles fsiles). Segn la duracin de estas
resticciones puede
sernecesarioqueelperiododeanlisisabarquevariosaos.Peroanbajola
hiptesisdequetantoparaladefinicindelplandemantenimientocomoparala
optimizacindelaoperacindelargoplazoseaconsideradoelmismoperiodode
anlisis,estastareasdebenserrealizadasporseparado,debidoaqueambos
problemas presentan estructuras diferentes. Previo al clculo del
plan de operacin de
largoplazo,sedebedeterminarparacadasubperiodo,quunidadesgeneradoras
estn disponible para operar y cuales estn fuera de servicio por
mantenimiento. Figura 1.1: Esquema de optimizaciones secuenciales
Elresultadodelaprogramacindelaoperacindelargoplazobrindaelmarcode
referencia para la programacin de la operacin de corto plazo
(Semanal/Diaria), en el
cualseconsideranconmayorexactitudlasrestriccionesimpuestasalparquede
generadores y a la red de transmisin.
Estaestrategiadeoptimizacionessuperpuestassecompletaconlaetapade
conduccin de la operacin, es decir con el clculo del plan real de
operacin, donde
sedefinelapotenciadecadaunidadgeneradoraparaseguirlasvariaciones
temporales de la demanda. Optimizacin de la Operacin Optimizacin
diariaOptimizacin momentneaMantenimiento preventivoConsumo de
combustiblesfuncionamiento (predespacho)
RegulacinEtocstDetermicoinsticoContratos de largo plazoContratos de
mediano plazoSeleccin del parque trmico enDespacho de centrales
hidrulicasOperacin de centrales hidrulicasde largo plazo
(anual)Flujo de carga ptimoDistribucin de cargas entre las mquinas
en funcionamiento (despacho)Optimizacin de la Operacin de corto
plazo (semanal)sFundacin Universidad Nacional de San Juan-Instituto
de Energa Elctrica DESPACHO DE GENERACION HIDROTERMICO 3 Sistemas
Desregulados
Hastalosaos80elobjetivodelaoperacinptimaeconmicaenmuchospases
comolosLatinoamericanossecircunscribaadefinirundespachounificado
considerandolasrestriccionestcnicasyoperativasmssignificativassinqueel
resultadodeldespachoimportarademasiadoenformaindividualacadacentralde
generacin, dado que casi la mayora estaba en poder de los
gobiernos. Igualmente la
reddetransmisinerageneralmenteexpandidaporlosgobiernosyengenerallas
normasdecalidad,sbienexistan,prcticamentenotenanconsecuencias
econmicashacialosresponsables.Eneseentonces generar en cualquier
lugar del
sistemanoafectabaningnintersenparticulardadoquelastarifasparalos
distribuidores era uniforme. En los ltimos aos se han producido
grandes cambios en muchos pases vinculados con la desregulacin del
mercado elctrico de potencia para aumentar la eficiencia de la
produccin, transporte y distribucin de energa elctrica, ofrecer
menores precios y aumentar la calidad del suministro. Esto ha
originado la creacin de nuevas estructuras
demercadoselctricoscompetitivosdediferentescaractersticas.Porlogeneralla
industria elctrica en estos mercados durante el clculo del ptimo se
deben tener en cuenta los requisitos que se mencionan seguidamente:
Libre competencia y regulacin respecto de la calidad en todos los
aspectos, incluso el de contaminacin ambiental. Red de transporte
de libre acceso y en muchos casos la expansin financiada por los
propios actores del mercado. No existe una planificacin de la
expansin en forma centralizada. Tarifas tanto a distribuidores como
a generadores dependientes del lugar de la red.
Sibienelproblemadeprogramacindelaoperacindeunparquehidrotrmicode
generacinpresentaaspectosgenerales,comolosmencionados,quepueden
considerarse en la mayora de los Sistemas de Generacin y Transporte
de Energa Elctrica(SGTEE),laaplicacindeesteproblema a un sistema en
forma especfica
requieretenerencuentasuscaractersticasparticularesparaquelaprogramacin
calculada pueda ser implementada en la realidad sin mayores
dificultades. En el caso de la Repblica Argentina la privatizacin
del Mercado Elctrico Mayorista Argentino (MEM), ha dividido al
sector en un gran nmero de agentes, agrupados en distribuidores,
transportistas, Generadores y Grandes Usuarios.
LassealesquelleganalMEMsemanifiestanatravsdelasdiferentes
programaciones de la operacin emitidas por el Organismo Encargado
del Despacho (OED). El OED realiza las funciones de coordinacin
tcnica y administracin del MEM y debe
asegurarquelasprogramacionesrealizadaspreservenlaseguridaddelsistemay
garanticen la operacin a mnimo costo, ofreciendo absoluta
transparencia. Ladescripcindelamodelacinparalaprogramacin de la
operacin se enmarcan dentro de las normativas vigentes en el
Mercado Elctrico Mayorista Argentino (MEM). Fundacin Universidad
Nacional de San Juan-Instituto de Energa Elctrica DESPACHO DE
GENERACION HIDROTERMICO 4Cada uno de los modelos utilizados
utilizados para el clculo debe ser aprobado por la Secretara de
Energa del Ministerio de Economa y Obras y Servicios Pblicos y los
miembros participantes del Mercado. Los mismos permiten una mayor
transparencia en el MEM, debido a que garantizan la objetividad y
repetibilidad de los procesos. 2.MODELACIONDELOSCOMPONENTESDELOS"
SGTEE" EN RELACION CON LA PROGRAMACION DE LA OPERACION Se presentan
los aspectos fundamentales de la modelacin de varios componentes de
un SGTEE que conducen a una operacin econmica.
Elpuntodepartidaparaanalizarelproblemadeldespachoeconmicoesla
modelacin de las fuentes de energa. El anlisis respecto de la
modelacin comprende tanto las plantas de generacin hidrulica,
trmica y de bombeo como as tambin la demanda y la red de
transporte.
FsicamenteunSGTEEengeneralestaconstituidoporunconjuntodecentrales
generadoras y demandas vinculadas a travs de una red de transporte.
CABTrmica Hidro. Red de Transporte Demanda Figura 2.1: Componentes
principales de un SGTEE A continuacin se presenta una
caracterizacin tcnica conceptual de los principales componentes a
representar dentro de un modelo de optimizacin. Fundacin
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DESPACHO DE GENERACION HIDROTERMICO 52.1APROVECHAMIENTOS
HIDROELCTRICOS 2.1.1Descripcin general
Loscomponentesqueintegranestetipodeaprovechamientossonlosquese
enumeran seguidamente: Embalse: recibe los aportes del ro.
Conductoforzado: conduce el agua hasta la turbina - generador, para
finalmente liberarla al ro a travs del canal de descarga.
Vertedero: libera el agua directamente desde el embalse superior al
curso del ro aguas abajo. Equipamiento de generacin: Conjunto
Turbina y Generador. Canal de restitucin: recibe el recurso hdrico
a presin atmosfrica y lo devuelve al curso del mismo. Canal de
fuga: Conduce el recurso hdrico desde la salida de la turbina al
canal de restitucin En la figura 2.2 se ilustra la ubicacin de cada
uno de los componentes mencionados Aporte de Agua Embalse Generador
Turbina Restitucin Canal de Fuga Figura 2.2: Componentes
principales de un aprovechamiento hidroelctrico.
Enestosaprovechamientosseproduceunprocesodetransformacindeenerga
potencial del recurso hdrico en energa elctrica a travs de los
elementos de la central hidroelctrica, como se expresa en el
siguiente esquema: E. Cintica E. Potencial E. Mecnica E. Elctrica
E. Presin Fundacin Universidad Nacional de San Juan-Instituto de
Energa Elctrica DESPACHO DE GENERACION HIDROTERMICO 6
Matemticamente la funcin de produccin de estas centrales se puede
expresar por las ecuaciones representadas en (2.1) Eh= Ph . t (2.1)
Ph = (Q) . .Q . H(Vol.;Q) Donde: Ph [Mw]:Potencia activa
hidroelctrica en bornes del generador. [pu]:Rendimiento promedio
del grupo generador - turbina. [1000 kg/m3]:Peso especfico del
agua. Q [m3/seg]:Caudal turbinado promedio de t. H[m]:Salto til
promedio en t. Vol [hm3]:Volumen de llenado del embalse (estado de
llenado). T[hs]:Perodo de tiempo. 2.1.2Clasificacin de los
aprovechamientos hidroelctricos
ExisteunagranvariedaddeAprovechamientosHidroelctricos(AH)queporsu
capacidad de embalse y/o uso prioritario del agua, se pueden
clasificar en: Centrales Hidroelctricas No Controlables (CHNC). -
Centrales de Pasada: sin embalses asociados debiendo erogar el
recurso hdrico proveniente de sus aportes. No son optimizables. -
Centrales con un solo embalse con operacin cuasi - predefinida:
Esta operacin
correspondealosusosnoenergticosdelagua(ej.Riego,controldecrecidas,
navegacin, etc). Su margen de optimizacin es muy reducido.
Lamodelacinenestecasoessencilladadoquelageneracindefinidaporotro
uso, se descuenta directamente de los diagramas de demanda.
Centrales Hidroelctricas Controlables (CHC). Se puede definir el
concepto de Capacidad de Regulacin (CR), como una medida del tiempo
que resulta de la relacin que existe entre la capacidad del embalse
y la erogacinapotencianominal.Dichodeotromodo,laCResunamedidadela
capacidadtemporalpararegularloscaudalesqueaportanaunembalse,lacual
puede corresponder a un ao, estacin, mes, semana, da u horas.
EstegrupodeCHCsegnsuCRseclasificanen:plurianuales,anuales,
estacionales, mensuales, semanales, diarios, horarias y de
fracciones de hora. Este encuadre es el que permite modelarlos como
controlables o no dentro del proceso de optimizacin, segn el
horizonte del mismo. Fundacin Universidad Nacional de San
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HIDROTERMICO 7 Figura 2.3: Estructuras topolgicas de embalses Una
descripcin general de los diferentes tipos de aprovechamientos
hidroelctricos controlables se menciona seguidamente:
-Aprovechamientosconestructurassimples.Unacentralubicadaalpiedel
embalseoperadaconsaltovariableyconlaposibilidaddeposeercentrales
aguasabajosinembalsesoconembalsesmuypequeosquesolopueden
turbinarelaguaquelesllegaysinrestriccionesaguasabajo.Centrales
totalmente optimizables (figura 2.3 (a)).
-AprovechamientosMultipropsitosRegulador-Compensador(R-C).
Funcionalmenteseutilizancuandoexisteincompatibilidadrespectodela
oportunidaddelusoptimodelrecursohdricoenrelacinconsusposibles
aplicaciones.Sondosembalsesencascadaquepermiteengranmedida
independizarelusonoenergticodelenergticodelagua.Normalmenteel
embalse superior es siempre de gran capacidad (estacional) y el
inferior es de pequea (semanal y diario) o excepcionalmente de
mediana capacidad (mensual estacional) (figura 2.3 (b)).
-Aprovechamientos con estructuras complejas. Cuando existen sobre
una misma
cuencadosomsaprovechamientosencadenadosyningunodeellostiene
erogacinpredefinida,noselospuedeconsiderarcomotipoR-C,sinoque
debenoptimizarseporseparadoadoptandocomovariablesdedecisinlas
erogacionesdecadaunodeellos.Lasestructurascomplejaspuedenser
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Elctrica DESPACHO DE GENERACION HIDROTERMICO 8consideradas para el
clculo como una combinacin de estructuras simples y/o del tipo R C
(figura 2.3 (c), (d), (e)). -Estructuras complejas de
aprovechamientos:talsituacinsepresentacuando la situacin del caso
anterior se hace extensiva a ms de una cuenca y estas son
interdependientes operativamente. 2.2CENTRALES TRMICAS
2.2.1Caracterizacin general Enlascentralestrmicaslapotenciaelctrica
es generada como un resultado de la energa mecnica producida por el
vapor o la combustin del combustible en la turbina. El vapor es
producido mediante calor en la caldera o en el reactor nuclear y en
el caso
decombustinenlaturbinaelprocesoesmsdirectonorequiriendopasos
intermedios.Lasplantastrmicasprincipalespuedenclasificarseen:Turbovapor,
Turbogas, Ciclo Combinado, Nucleares y Diesel. En las Figuras 2.4 a
2.7 se presenta en forma esquemtica distintos tipos de centrales
trmicasysuscicloscorrespondientes,cuyosdetallesgeneralessepresentana
continuacin: Figura 12 Figura 2.4: Esquema de central turbovapor
Figura 2.5: Esquema de central turbogas Fundacin Universidad
Nacional de San Juan-Instituto de Energa Elctrica DESPACHO DE
GENERACION HIDROTERMICO 9 Figura 2.6: Esquema de generador diesel
Figura 2.7: Esquema de central de ciclo combinado 2.2.2Descripcin
de los diferentes tipos de centrales trmicas Turbovapor (fig. 2.4)
En las centrales de vapor el combustible fsil es quemado y la
energa es liberada en
formadecalordentrodelacaldera.Comoresultadoseobtienevapordealta
temperatura y presin. Luego el vapor es conducido va la tubera a la
turbina, donde la energa trmica es transformada en energa mecnica.
Finalmente la energa mecnica estransformada en elctrica en el
generador. El vapor a baja temperatura y presin (exhausto) a la
salida de la turbina es enfriado y condensado y nuevamente se
repite el proceso. Turbogas (fig. 2.5)
Estasunidadesestncompuestasbsicamentedeuncompresoraxial,cmarade
combustin, turbina y generador elctrico. En el compresor se
comprime el aire hasta la Fundacin Universidad Nacional de San
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HIDROTERMICO
10presindecombustinsiendoutilizadoenlacmaradecombustinparaquemarel
combustible.Partedelaireesutilizadoparaenfriamientoyestabilizacindela
temperatura, como as tambin la de la propia combustin. Los gases
producidos por la combustin son distribuidos por la periferia de la
primera fila de alabes y son difundidos
portodalaturbina.Lasprimeraetapasdelaexpansinsonlasdealtapresiny
permite obtener la energa necesaria para accionar el compresor. Las
etapas siguientes
denominadasdebajapresinodepotenciasonlasqueaccionanelgenerador
elctrico. Motor Diesel (fig. 2.6)
Lageneracinmediantemotoresdieselnotieneactualmenteimportanciadentrodel
marco del suministro de energa en mercados competitivos. No
obstante estos grupos son muy utilizados como auxiliares para
obtener corriente de emergencia en hospitales, clnicas , etc.,
debido a su pequeo costo de instalacin y su facilidad de recambio.
Ciclo Combinado (fig. 2.7) Este es el tipo de centrales que han
sufrido un importante aporte tecnolgico a partir de
finalesdelosaos80,siendoenlaactualidadlatecnologaconmayorcrecimiento
dentrodelastermoelctricas,superandoencuantoalaeficienciaenelusodel
combustible en mas del 20 % a las turbovapor convencionales.
Bsicamenteestintegradoporunciclodecombustininternacomoeldelas
Turbogas y uno de recuperacin de gases calientes a la salida de
esta etapa de ciclo a vapor. Este avance tecnolgico ha sido viable
gracias a la posibilidad de obtener gases
decombustincontemperaturassuperioresalos1000-1200gradoscentgrados,
permitiendo aprovechar mejor el ciclo de vapor. Plantas Nucleares
Utilizadasdesdecomienzosdelosaos50,tuvorpidamenteunimportante
crecimientoentodoelmundo.Enlaactualidadporrazonesambientalessu
construccin ha sido prohibida en algunos pases.
Elprocesodeobtencindelaenergaelctricaresideenlatransformacindela
energa nuclear obtenida del Uranio en energa calrica en un reactor
nuclear, luego es transformada en vapor de alta presin y
temperatura y finalmente, como en el caso de
losturbovaporconvencionales,setransformaenenergamecnicaenlaturbinade
vapor y de ah en energa elctrica en el generador.
Existenvariostiposdecentralesnuclearesdeacuerdoasuscaractersticasfsico-
qumicas.Engeneralporrazonesdeseguridadelconjuntodeturbinageneradory
dems instalaciones de vapor estn menos exigida que en el caso de un
turbovapor convencional.
Alosefectosdelograrsucompetitividadcontraelrestodelasposibilidadesde
generacin utilizadas se construyen en unidades de gran tamao que
estn en el rango de los 600 a 1200 MW. Fundacin Universidad
Nacional de San Juan-Instituto de Energa Elctrica DESPACHO DE
GENERACION HIDROTERMICO 11Acoplamiento calor - fuerza. Este tipo de
generacin utilizada en muchos pases principalmente de Europa,
consiste en utilizar los vapores calientes resultantes de la salida
de los grupos turbovapor y ciclo combinado para calefaccin. La
caracterstica fundamental de estas instalaciones es el
significativoaumentodelaeficienciaenelaprovechamientodelcombustible,
logrndose un aumento del orden del 100 % respecto de un turbovapor
convencional. Otros tipos de generacin termoelctrica. Existen otros
tipos de centrales de generacin de escasa significacin con relacin
a su participacin respecto del total como es el caso de la
generacin geotrmica. 2.2.3Combustibles Los combustibles utilizados
para generacin termoelctrica estn sujetos a una serie de
consideraciones que influyen directamente en el costo y
disponibilidades del mismo. Los principales combustibles utilizados
se pueden clasificar en: gas, lquidos y carbn, distinguindose
dentro de cada clase subclases. Los principales factores que
afectan su costo son: -Disponibilidad - Oferta. -Localizacin,
transporte y disponibilidad de transporte -Poder calorfico
-Residuos e impurezas.
Sibientodospuedenserutilizadosparageneracintermoelctrica,sugradode
utilizacin depende de las caractersticas de cada pas en cuanto a
disponibilidad local
odeimportacin,infraestructuraycostosdeexplotacin,polticas,localizacin,
capacidad y costos de transporte, aspectos ambientales y
antecedentes histricos. En el caso particular de argentina
caracterizado por ser un sistema desregulado regido por
sealeseconmicasygrandisponibilidadlocalizadadegasycostosrelativamente
bajosdelmismo,hacenqueesteseauncombustiblecodiciadoyutilizadocasi
totalmente. Sin embargo existen limitadas disponibilidades en pocas
de invierno, dado la poltica de uso preferencial para los sectores
residenciales e industriales y dado la limitada capacidad de
transporte. 2.2.4Funcin de Produccin Desde un punto de vista
econmico operacional el inters se centra en la modelacin de la
funcin de entrada - salida (Funcin de Produccin). La entrada es el
costo de combustible y la salida la potencia activa de generacin de
la unidad. Por lo general en relacin con la modelacin de la funcin
de produccin de un grupo
termoelctricosepuededecirquerespondeaunafuncincuadrticadepotencia
activa, la cual puede ser expresada por la ecuacin (2.2). Costo(P)
= A0 + A1 . P + A2 . P2 (2.2) Fundacin Universidad Nacional de San
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HIDROTERMICO 12
Existenmotivostcnicosyeconmicosquehacenquelasunidadesdegeneracin
trmica no puedan operar por debajo de un mnimo tcnico, tales como
evitar puntos calientes y fallas en la tubera, estabilidad de la
combustin, reversin de potencia ante
variacionesdefrecuencia,eficienciadeoperacin,etc.Debidoaelloelrangode
operacin de una central est limitado por sus potencias mnima y
mxima. En la figura 2.8 puede observarse la funcin de produccin de
una mquina trmica que tiene la posibilidad de utilizar dos tipos
diferentes de combustibles. Consumo Pmn.Pmx. Figura 2.8. Modelacin
de una unidad trmica con posibilidad de utilizacin de dos
combustibles.
Enelcasodeoptimizacindeproblemasdelaoperacindecortoplazoy
principalmente de largo plazo, es comn introducir una simplificacin
en el modelo de la funcin de produccin, que es utilizar un valor
constante de la misma, normalmente el correspondiente a un estado
de carga entre el 75 y el 100 %. Tambin es usual utilizar un valor
de eficiencia que se calcula en base a la eficiencia en un cierto
perodo de la unidad y que incluye inclusive los costos de arranque
y parada.
LaListadeMrito,consisteenordenarlaunidadestrmicasgeneradorassegn
costos crecientes. Luego el despacho de un escaln de potencia, se
realiza en orden creciente, de tal modo que cuando se ingresa una
unidad se los hace a plena potencia excepto la ltima unidad hasta
cubrir el total de la potencia.
EsimportantedestacarquelosresultadosdedespachoobtenidosconlaListade
Mritoapesardesusencillez,coincideconotrosmtodosmassofisticadosde
optimizacincuandosesuponeCostoEspecficoConstanteparatodoelrangode
generacin.
Lautilizacindeunnicovalordelafuncindeproduccinpermiteutilizar
procedimientosdeprogramacinmatemticadeusomuydifundidoyfcilde
implementar como es el caso del mtodo de programacin lineal o la
lista de mritos. Combustible 1 Combustible 2 Cos1(Pot1) = A0 + A1
Pot1 + A2 Pot12Cos2(Pot2) = A0 + A1Pot2 + A2Pot22 Costo(P) =
Cos1(Pot1) + Cos2(Pot2) P = Pot1 + Pot2 Pot. Mn. (Pot1 + Pot2) Pot.
Mx. Consumos (Pot1) Cuota Mxima Fundacin Universidad Nacional de
San Juan-Instituto de Energa Elctrica DESPACHO DE GENERACION
HIDROTERMICO 132.3CENTRALES DE ACUMULACIN POR BOMBEO
Bsicamenteestetipodecentralesestnintegradasporloscomponentes
descriptos en la figura 2.9. Embalse Principal TurbinadoBombeo
Generacin que reemplazaCABAcumula EnergaEnerga de Alto Costoa Bajo
Costo Contraembalse. Figura 2.9: Esquema de una Central de
Acumulacin por Bombeo.
-Unembalseprincipal:destinadoalaregulacindelcursodeaguayala
acumulacin de agua bombeada. -Uncontraembalse: destinado a la
retencin de los volmenes turbinados para su posterior bombeo o
erogacin.
-Unacentraldegeneracindeenergaelctrica:estatienelaposibilidadde
trabajar en modo reversible.
Estascentralessondeltiporeversible,turbinandoaguaenlashorasdepicodela
demanda,reemplazandodeestaformageneracinquedeotramaneradeberaser
cubiertacontrmicadealtocosto(turbogasodiesel)ocondficitybombeando
(absorbiendo) energa del sistema de bajo costo (nuclear,
turbovapor, ciclo combinado). De esta manera es posible reducir
significativamente los costos de generacin como se ilustra en la
figura 2.10.
Tambinesposibleutilizarlascuandosepresentandficitdepotenciainstalada,
permitiendo cubrir demandas de punta que de otra forma deberan
cortarse.
LafuncindeproduccindeunaCABestafectadadedosprocesos(bombeadoy
turbinado)quetienenasociadounaciertaeficienciadependientedelascondiciones
operativas, como se aprecia en la expresin (2.3). Ep = Eb . b(Qb) .
t(Qt)(2.3) Ep :Energa generada en la etapa de turbinado. Fundacin
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DESPACHO DE GENERACION HIDROTERMICO 14EbEnerga absobida en la etapa
de bombeo. b(Qb): Rendimiento del proceso de bombeo funcin del
caudal bombeado. b(Qt):Rendimiento del proceso de turbinado funcin
del caudal turbinado. Figura 2.10: Proceso de reemplazo de energas
de distintos costos. 2.4DEMANDA. 2.4.1Introduccin.
Engenerallademandaconstituyeunodeloselementosmsimportanteamodelar
adecuadamente, desde el punto de vista de las implicancias que
tiene dependiendo de la aplicacin para la cual se desee utilizar.
Esta variable independiente es la razn de ser del resto de los
componentes de un SGTEE, que contribuyen en tiempo, lugar y forma a
su satisfaccin. La eleccin del modelo de representacin de la
demanda tiene una fuerte implicancia
sobrelacalidaddelosresultadosobtenidos(costos,precisindelosdespachos)y
sobrelosrequerimientoscomputacionales.Losmodelosautilizarestn
interrelacionados directamente con el horizonte de optimizacin
utilizado. 2.4.2Perodo de anlisis y aplicaciones. La demanda es
utilizable en relacin con las siguientes aplicaciones: -
Planificacin del crecimiento de largo plazo de SGTEE en todos sus
niveles. En general en este caso se requiere adems de conocer la
situacin de partida (ao), su evolucinesperadaeneltiempo.Losperodos
de anlisis en estos casos incluyen Fundacin Universidad Nacional de
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HIDROTERMICO
15variosaoshaciaelfuturo(10a20aos),requirindoseenestoscasosuna
representacin de la demanda a nivel mensual, estacional y en
algunos casos anual.
Larepresentacinsemanalpuedeestarlimitadaaalgunoscasosparticulares.
Bsicamenteserequiereconocervaloresdepotenciasmximasymnimasy
contenidosdeenergas.Naturalmenteunaspectoimportanteaconsiderarsonlos
escenarios alternativos dado el carcter aleatorio de la demanda. -
Planificacin de la operacin a largo y mediano plazo. La
representacin semanal es la ms adecuada para esta aplicacin, sin
embargo es posible utilizar la mensual
dondeelaoserepresentapor12mesesymejoranpor13subperiodosde4
semanascadauno.Naturalmentelasemanaltienelaventajadesermasuniforme
respecto de que siempre est compuesta por la misma cantidad de das
y en cuanto a
suproporcindedashbilesyferiadosypermiteademscontemplarmejorla
variacin significativa de ciertos parmetros. Por ejemplo
mantenimiento preventivo, aportes de recurso hdricos, etc.
Naturalmente la decisin de elegir la discretizacin
delperododeestudiodependedelaprecisinnecesaria,disponibilidadde
informacinyrequerimientoscomputacionales.Enestasaplicacionesinteresa
conocer valores de potencia mxima y mnima y energas por bandas
tarifaras. En sistemas con importantes restricciones asignadas a la
red de transporte es necesario
conocerladistribucingeogrficadelamisma.Enloscasosqueseanecesario
considerarunperiododeanlisismayorqueelaoserecomiendautilizarparael
primeraounarepresentacinsemanalyparaelsegundounarepresentacin
mensual. - Programacindelaoperacindecortoplazo. La necesaria
aplicacin inmediata de los resultados y la significativa variacin
de la demanda momento a momento hace
necesarioutilizaralmenosunadiscretizacinporlomenosanivelhorarioocada
media hora para las prximas 24 horas y en subperodos mayores para
el resto de la
semanadependiendodelavariabilidaddelademanda.Esimportanteconocersu
distribucin espacial atento a los requerimientos operativos y de
seguridad. -
Estudiosdefuncionamiento.Enestoscasosseeligenescenariosdedemandas
correspondientes a los estados extremos de consumos (mxima y mnima
asociados a distintas estaciones), que son los que importan desde
el punto de vista del estado
defuncionamientoyderequerimientosdepotencia.Naturalmenteaquinteresa
particularmente su desagregacin espacial, en las distintas barras
de la red. 2.4.3Factores que afectan la demanda. La demanda de
potencia y energa se caracteriza por su fuerte variacin en el
tiempo
debidoafactoresquepodranclasificarseenaquellosquedependendeltiempo,
econmicos,climticosyaleatorios.Elconocimientodeestosfactoresson
fundamentalesparaeldesarrollodemodelosdepronsticos.Losfactoresque
dependendeltiempoincluyenlaperiodicidadsemanal,variacionesestacionales,
vacaciones y crecimiento ao a ao. Entre los factores que dependen
del tiempo se encuentran los econmicos que tiene un efecto directo
sobre los patrones de consumo
(existenmtodosquerelacionandirectamenteelconsumoelctricoalaactividad
econmica). Los factores climticos, principalmente la temperatura y
humedad, influyen directamente en el consumo energtico (aire
acondicionado, calefaccin, riego agrcola, Fundacin Universidad
Nacional de San Juan-Instituto de Energa Elctrica DESPACHO DE
GENERACION HIDROTERMICO 16etc.). Adems existen efectos aleatorios
que afectan significativamente la demanda y
quenopuedenserexplicadosfcilmentecomolosanteriores.Ellosincluyenla
naturaleza estadstica de la demanda, eventos especiales y conexin
de equipamiento de potencia no anunciado. 2.4.4Parmetros
caractersticos de la demanda. -Potencia Mxima, registrada en el
perodo. -Potencia Mnima, registrada en el perodo. -Contenido
Energtico, contenido debajo de la lnea de demanda. -Cronologa de
sucesin de demandas, o forma de la curva de carga. -Factor de carga
=Contenido Energtico Energa que consumira a Pot. mx. durante todo
perodo
-SectoresdeConsumo(Residencial,Industrial,Comercial,etc.),cadauno
caracterizado por una curva de consumo. -Zonas de Pico, Valle y
Resto, segn tipo de generacin requerida.
-Variacinperidicadiaria,formadelacurvadedemanda(cronologa)semanaly
estacional. -Crecimiento interanual. -Comportamiento aleatorio.
-Localizacingeogrfica. Este es un elemento de fundamental
importancia toda vez
queunSGTEEincorporelareddetransporte,paracontemplarlaslimitaciones
desde el punto de vista de la capacidad de transporte. 2.4.5Modelos
de representacin de la demanda. Curva diaria / semanal de carga
(lnea de carga).
Esunafuncincronolgicadeltiempo"Potencia=f(Tiempo)"(figura2.11)cuyo
comportamientoestsujetoalasmodalidadesdeconsumodecadasector
normalmentemuydiferentesentres.LademandatotaldeunSGTEEengeneral
presenta zonas de bajo consumo (poca actividad asociada a las horas
de descanso o feriado o bien fines de semana) zonas de consumo muy
pronunciado (zonas de mucha
actividadsimultneadediferentessectores)yzonasintermedias.Laenerga
demandada se puede obtener mediante la expresin (2.4): 24 Energa
diaria = 0 Potencia . dt (2.4) Fundacin Universidad Nacional de San
Juan-Instituto de Energa Elctrica DESPACHO DE GENERACION
HIDROTERMICO 17 Potencia Pot. Mxima semanal Pot. Mnima semanal
PmnPmx HbilHbil Domingo 061218 2448168 Tiempo Figura 2.11:
Cronologa de la demanda total (todos los sectores) en la semana
Este modelo tiene la ventaja de que es el ms preciso dado que
permite mantener la
cronologadelademanda,sinembargoeselquepresentamayoresrequerimientos
desde el punto de vista de las exigencias que plantea respecto de
las otras variables
delproblemacomoastambinrespectodelosrequerimientoscomputaciones.En
general este modelo esutilizado en relacin con la programacin de
cortoy muy corto plazo (semanal, diario y de algunas horas) donde
interesa identificar la secuencia de carga a efectos de obtener
despachos que contemplen la realidad de las restricciones
operativadelosgruposgeneradores(tiempodearranque,capacidaddemodularla
demanda, etc). En general se discretiza la curva en forma horaria
(algunas veces cada
mediahora)cuandoelhorizonteeselda,sinembargocuandoelhorizonteesla
semana se consideran intervalos horarios para las primeras 24 horas
y el resto de la semana se agrupa en escalones de varias horas segn
la variabilidad. Diagrama Ordenado de Duracin de Cargas. Para un
perodo de tiempo dado (por ejemplo la semana), tomando como base la
lnea
decarga,sumandolostiemposasociadosavaloresdepotenciadiscretizadosy
decrecientessepuedeconstruireldenominadoDiagramaOrdenadodeDuracinde
Cargas (DODC) presentado en la figura (2.12).
BsicamenteelDODCcontienelainformacindelalneadecargaencuantoa
potencias mximas y mnimas y adems en relacin con el contenido de
energa. Se distinguen tambin las zonas del diagrama asociadas con
las energas de base, resto y
pico,sinembargoenestetipoderepresentacinsepierdelacronologaenquese
sucede la demanda. Para tener en cuenta en el despacho del parque
trmico que las
distintaszonasdelDODCseancubiertasporgeneracinacordealasmismas,se
suelenutilizarrestriccionesparaqueciertasunidadestrmicasnosedespachenen
determinadas zonas del DODC (ejemplo las turbovapor en zonas de
pico). Otra limitacin que presenta el DODC, esta dado por la
agrupacin de energas en una misma zona del diagrama correspondiente
a generacin de diferentes tipo. Por ejemplo
sisetomadelDODCasociadoaunasemana,alconstruirloparaciertos valores
de potencia,seestaragrupandozonasdesemibasedeundahbil(acubrircon
Fundacin Universidad Nacional de San Juan-Instituto de Energa
Elctrica DESPACHO DE GENERACION HIDROTERMICO 18turbovapor) con
zonas de punta de das feriados (a cubrir con turbogas). Luego
cuando se despache sobre la base del DODC, esas zonas sern
cubiertas con generacin del tipo turbovapor. Potencia Pot. mxima
Pico Resto Pot. Mnima Energa semanal Valle 168 h Tiempo Figura
2.12: Diagrama Ordenado de Duracin de Cargas (DODC) El DODC puede
ser aproximado por funciones escalones. La cantidad de escalones a
utilizardependedelaprecisindeseada,sinembargoaumentanlinealmentelos
requerimientoscomputacionales(cantidaddevariables).Enproblemasde
programacindelaoperacindelargoplazo,sesueleutilizartresescalones
coincidentesconlasbandastarifaras,sinembargonoesunaprecisinaceptable
cuandoporejemploseutilizanlosresultadosenrelacinconladeterminacinde
preciosestacionales.Desdeelpuntodevistadelamodulacindelapotenciasera
deseable representar con una cantidad mayor de escalones la zona de
pico. 2.5RED DE TRANSMISIN La red de transporte constituye otro de
los componentes ms significativos a considerar en el problema del
clculo de despachos ptimos en todos los niveles de optimizacin pero
teniendo en cuenta diferentes modelos. Los principales aspectos que
justifican la consideracin de la red son: -Lasprdidaspor efecto J
oule, ya sea para considerarlas en el balance o para su
optimizacin. -La capacidad fsica de la lnea o la impuesta por
razones de seguridad, etc. -La consideracin de la potencia reactiva
en relacin con los niveles de tensin. -El mantenimiento de los
componentes principales de la red. -La necesidad de considerar
precios de nodos y precios locales. Fundacin Universidad Nacional
de San Juan-Instituto de Energa Elctrica DESPACHO DE GENERACION
HIDROTERMICO
19Desdeelpuntodevistadelaextensindelamodelacintopolgicadelaredse
pueden utilizar segn el caso los siguientes: -Red principal del
sistema interconectado muy mallada: Barra nica y las prdidas se
consideran como un porcentaje de la demanda. -Red principal
dbilmente mallada sin considerar subsistemas regionales: Se modela
enformadetalladalaredprincipalylossistemasregionalescomopuntosde
demanda generacin sin considerar la influencia de los mismos. -Red
principal dbilmente mallada considerando los subsistemas regionales
en forma simplificada: Se modela en forma detallada la red
principal y los sistemas regionales como puntos de demanda
generacin considerando la influencia de los mismos.
3.REQUERIMIENTOSNORMATIVOSPARALASMODELACIONES QUE DEBEN SER
UTILIZADAS EN EL " MEM"ARGENTINO 3.1MODELACION ESTACIONAL El
modelado de la demanda debe incluir el diagrama ordenado de duracin
de carga y
representarlascurvasdecargahorariatpicas.Debeademspermitirconsiderarsu
aletoriedad mediante distintos comportamientos posibles. La red de
transporte debe estar representada con el detalle requerido para
incluir las restricciones a las posibilidades de llevar la oferta
disponible hasta donde requiera la demanda y que afectan
significativamente el precio medio resultante para un perodo
trimestral. La oferta de generacin debe incluir la representacin
tanto de las centrales trmicas
comodelascuencashidroelctricas,modelandoenesteltimocasosus
caractersticas y las condiciones establecidas en las Normas de
Manejo de Agua de los
ContratosdeConcesinconelniveldedetallenecesario,paratenerencuentasu
efecto sobre los precios estacionales. Debe permitir realizar la
optimizacin de los embalses de las centrales hidroelctricas
denominadas Centrales de Capacidad Estacional. Debe tener en cuenta
la aleatoriedad del aporte hidrulico en cada una de las centrales
hidroelctricas con potencia instalada y energa firme significativa
dentro de la oferta de generacin total del MEM. Deben permitir
representar el parque forzado por restricciones.
Debenpermitirmodelarlasofertasdeventadepasesinterconectadoscomo
generacinadicional,consuscorrespondientesprecios.Losrequerimientosde
exportacin se deben poder modelar como demanda adicional a ser
cubierta slo si no se genera riesgo de falla. Fundacin Universidad
Nacional de San Juan-Instituto de Energa Elctrica DESPACHO DE
GENERACION HIDROTERMICO
20Paralascentraleshidroelctricasconcapacidadestacional y mensual,
el OED debe determinar: a)Los valores del agua para los embalses
que no hayan efectuado la correspondiente declaracin, utilizando
los modelos de optimizacin vigentes en el MEM. b)Los paquetes de
energa a ubicar en la semana en cada embalse de acuerdo a los
valores del agua establecidos, teniendo como objetivo minimizar el
costo total futuro
deoperacin,incluyendoelcostodefalla,mediantelautilizacindelmodelode
simulacin vigente. 3.2MODELACION SEMANAL
Alabasededatossemanalseleincorporanloscostosvariablesdeproduccin
estacionales, los valores de agua, la disponibilidad ofertada por
el parque, restricciones vigentes y las ofertas de ventas de pases
interconectados como generacin adicional al precio solicitado Con
el modelo de simulacin se debe determinar la energa a generar en la
semana a
programarysemanasubsiguienteenlascentraleshidrulicasconcapacidadde
embalse estacional y mensual.
Tomandocomodatolospaquetesdeenergahidrulicaencadaembalseparalas
siguientes dos semanas, se realiza la optimizacin de su ubicacin a
lo largo de las dos
semanasenpaquetesdiariosdivididosenperodosdeunaomshorasqueno
superenlacorrespondientebandahoraria,medianteunmodelodedespacho
hidrotrmico semanal (DHS). La funcin objetivo a minimizar es el
costo total de operacin evaluado en el Mercado, suma del costo
variable de produccin ms el costo variable de transporte a travs
del factor de nodo y la valorizacin de la energa no suministrada.
El modelo debe tener en cuenta: Un horizonte de 7 a 14 das; Los
requerimientos de importacin y exportacin de pases interconectados;
Los requerimientos de venta de los Autogeneradores y Cogeneradores;
Los requerimientos de compra de Autogeneradores; La posibilidadde
definir agrupamientos de mquinas de acuerdo al nivel de detalle
requerido; La posibilidad de definir mquinas forzadas;
Ladisponibilidaddedistintotipodecombustiblesporcentraltrmicaogrupode
mquinas, para definir la distribucin ptima de combustibles;
Losrequerimientosdereservarotantepararegulacinyoperativapara
contingencias; Los requerimientos de pico y la competencia para su
cubrimiento entre mquinas
turbovaporoperandodepunta,consucostovariabledeproduccinestacionaly
sobrecostoestacionaldepunta,ymquinasturbogasconsucostovariablede
produccin estacional; Fundacin Universidad Nacional de San
Juan-Instituto de Energa Elctrica DESPACHO DE GENERACION
HIDROTERMICO
21Larepresentacindelaredquepermitaincluirlasrestriccionesdetransmisiny
operacin que afectan los resultados del despacho a nivel semanal;
Larepresentacindedistintostiposdecentraleshidrulicas,consusvaloresde
agua,ysuslimitacionesaldespachodiario(requerimientosaguasabajo,
posibilidades de empuntamiento, etc.); La representacin de
centrales de bombeo, con sus valores de agua y valores de
bombeo,paradefinirsusrequerimientosdebombeoydespachodegeneracin
semanal.
ElcriterioparaelusodelaguadentrodelasemanaseharconelModelode
DespachoHidrotrmicoSemanal(MDHS).Paralascentraleshidroelctricascon
capacidadestacionalymensual,seadmiteunapartamientodehastael5%enla
energa hidroelctrica despachada con respecto al valor estimado por
el programa de simulacin vigente. 3.3MODELACION DIARIA
Laprogramacindiariaesrealizadaconunmodelodedespachohidrotrmico,que
optimiza la ubicacin horaria de los paquetes diarios de energa
hidrulica calculados en el modelo jerrquicamente superior. La
funcin objetivo es minimizar el costo total,
elcualseexpresacomolasumadecostosdeproduccintrasladadosalcentrode
carga ms el costo de la energa no suministrada. El modelo debe
permitir: Representar la configuracin de la red con el nivel de
detalle necesario para tener
encuentalasrestriccionesqueafectaneldespachodiario,garantizarqueel
desapachoesrealizableyqueseajustaalasrestriccionesdetransportey
operacin vigentes; Realizar los flujos de potencia de la red y
determinar las prdidas, precios de nodo y correspondientes factores
de nodo horarios; Representar el parque trmico y nuclear en
detalle, indicando disponibilidad por tipo de combustibles por
central o mquina y sus correspondientes costos variables de
produccinestacionalparadefinirlamezclaptima,elconsumoespecficoque
permitedeterminarelcostomarginal,elconsumopropioparadefinirsupotencia
neta, las restricciones a la variacin de carga horaria mxima y las
posibilidades de aportar a la regulacin de frecuencia primaria y
secundaria; Representar el tiempo mnimo que debe transcurrir entre
la parada y arranque de la mquina y el costo de arranque y parada
de mquinas turbovapor y nuclear; Representar los requerimientos de
banda de potencia como reserva para regulacin y la penalizacin en
caso de su no cumplimiento;
Representarlosrequerimientosdereservarotanteparamantenerlaoperatividad
delsistemaelctricoycontarconcapacidadderespuestarpidaante
contingencias; Representar distintos tipos de cuencas y centrales
hidroelctricas (de pasada, con
capacidaddeembalse,centralesencadenadasylainfluenciaentreellas,diques
compensadores o reguladores, centrales de bombeo, etc.) y las
restricciones aguas abajo que afectan el despacho horario
hidrulico; Fundacin Universidad Nacional de San Juan-Instituto de
Energa Elctrica DESPACHO DE GENERACION HIDROTERMICO 22Representar
solicitudes de venta de autogeneradores y cogeneradores;
Representar solicitudes de compra de autogeneradores;
Incluirconrespectoalospasesinterconectadosofertasdeexplotacinconsus
preciossolicitadoscomogeneracinadicionaldisponibleyrequerimientosde
importacin como demanda adicional que se puede dejar de abastecer
si no existe el excedente requerido, es decir no debe provocar
falla. 4.MODELACIONESUTILIZADASPARALAPROGRAMACIONDE LA OPERACIN DEL
" MEM"ARGENTINO 4.1DESCRIPCIONDELOSMODELOSYHERRAMENTASDE CALCULO
Parapodercumplirconlascondicionesimpuestas,laprogramacindelaoperacin
debe realizarse con un procedimiento tcnicamente aceptable, que
posea objetitividad y repetitividad.
Lanecesidaddeanticiparlasconsecuenciasdeaplicacindemtodosdetomade
decisin en la operacin de un sistema elctrico, requiere la
utilizacin de metodologas
quepermitanrepresentarlasincertidumbresycomplejidadesinvolucradasenla
operacindelossistemasrealesyquesimulenlaevolucindesuscondiciones
operativas a lo largo de los perodos de anlisis. Estos modelos
deben ser adems capaces de definir parmetros que permitan evaluar
cuantitativamente los mritos de diferentes alternativas de accin.
Esporelloquesehaelegidocomoherramientadeprogramacinalosmodelos
matemticos tanto de simulacin como de optimizacin . Con el propsito
de imponer un control jerrquico a los procesos de programacin de la
operacin del sistema, se utiliza el concepto de modelos en cascada
temporal.
Ladivisinasestablecidasatisfacelascondicionesdecontrol,yaquemediantela
modelizacindelaoperacinsesimulanlasperturbacionesdelsistemayse
compensan las mismas. Adems, la toma de decisiones se realiza en
cada uno de los
nivelestemporalesdeprogramacin,deacuerdoasuimportanciarelativa,
estableciendo condicionantes a los niveles inferiores. Los modelos
utilizados para las programaciones de la operacin son los
siguientes: Despacho Hidrotrmico Estacional (DHE) Despacho
Hidrotrmico Semanal (DHS) Despacho Hidrotrmico Diario (DHD) En la
figura 4.1 se presentan los diferentes modelos utilizados por el
OED para poder calcular la programacin ptima de al operacin del MEM
y en forma esquemtica la interaccin entre los mismos. Fundacin
Universidad Nacional de San Juan-Instituto de Energa Elctrica
DESPACHO DE GENERACION HIDROTERMICO 23 Figura 4.1: Modelos
utilizados en el MEM para el clculo de la programacin ptima de al
operacin Si bien por un lado un modelo debe representar el mayor
nmero posible de variables
quereflejanlatomadedecisiones,porotrolado debe ser lo
suficientemente simple para que pueda ser implementado en
computadoras y permitir el anlisis de una gran cantidad de
escenarios. Un modelo matemtico es una representacin aproximada de
la realidad. La definicin
deungradoadecuadoderepresentacindelosdiferentesparmetrosyvariables
involucradas exige la construccin de modelos especficos para cada
problema. Como regla general, en la medida que el horizonte de
anlisis se aproxima a la operacin en
tiemporeal,msdetalladadeberserlarepresentacindeloscomponentesdel
sistema,fundamentalmenteenelaspectodelageneracin.Otramedidadelgrado
adecuadodedetalleestdadaporlapropiarelevanciadecadatipodefuente
generadora en el parque generador del sistema. Es decir, no tiene
sentido detallar de forma muy exacta una parte poco representativa
de la generacin.
Debidoalasdimensionesdelproblemayteniendoencuentaquetantolafuncin
objetivo como las restricciones pueden ser aproximadas linealmente,
las herramientas
matemticasutilizadasfundamentalmenteparalasolucindelproblemasonla
Programacin Dinmica y Programacin Lineal. 4.2HORIZONTES DE
MODELADO. PASO DE CALCULO El horizonte del modelo es funcin de la
jerarqua del mismo, en tanto que el paso de
clculodependeademsdelavariabledeestado.Seguidamenteseespecificarn
tantoelhorizontecomoelpasodeclculoparacadaunodelosdespachos
considerados a)Despacho estacional (DHE) Horizonte de clculo: una a
cincuenta y dos semanas Paso de clculo: Semanal, para las
variables: -Hidrulicas -Almacenamientos, disponibilidad y reposicin
de Combustibles. Despacho HidrotrmicoEstacional Despacho
Hidrotrmico SemanalDespacho Hidrotrmico DiarioDatos Valor del agua
Energa Hidrulica Fundacin Universidad Nacional de San
Juan-Instituto de Energa Elctrica DESPACHO DE GENERACION
HIDROTERMICO 24 Por bloques horarios semanales, para las variables:
-Energticas b)Despacho semanal (DHS) Horizonte de clculo: una
semana Paso de clculo: Diario, para las variables: -Hidrulicas
-Almacenamientos, disponibilidad y reposicin de Combustibles. Por
bloques horarios diarios, para las variables: -Energticas
c)Despacho diario Horizonte de clculo: un da Paso de clculo:
Horario o cada hora, para todas las variables: 4.3CONCEPTOS
CONSIDERADOS EN EL MODELADO a)Valor del agua Una de las principales
dificultades de la gestin de un sistema fuertemente hidrulico es la
utilizacin ptima del agua almacenada en los embalses. Se trata, en
vistas a un futuro aleatorio, de determinar el inters de utilizar
inmediatamente el agua disponible para la produccin elctrica o bien
almacenarla para una utilizacin posterior. Debido a ello para
disponer de un criterio de decisin, es necesario determinar para
cada una de las reservas hidrulicas, un valor del agua. Si el valor
del agua es inferior al costo marginal instantneo de produccin, el
inters
econmicoeslautilizacininmediatadelaguaparasatisfacerlademanda.Encaso
contrario es preferible guardar el agua hasta el momento que
resulte econmicamente conveniente.
Lagestinptimadelsistema,enuninstantedado,sebasaenlacomparacinde
costos de combustibles y valores del agua de cada embalse para
determinar el orden de utilizacin de los equipos trmicos e
hidrulicos para la producin elctrica. b)Regiones elctricas El MEM
se considera desagregado en centros de consumo y produccin
elementales denominados regiones elctricas. Cada regin elctrica
tiene entonces asociada uno o varios de los siguientes elementos:
Demanda Oferta Hidroelctrica Oferta Trmica Contratos de importacin
Contratos de exportacin Fundacin Universidad Nacional de San
Juan-Instituto de Energa Elctrica DESPACHO DE GENERACION
HIDROTERMICO 25 c)Demanda En cada regin elctrica la demanda se
caracteriza en forma distinta para cada modelo: Modelo Estacional:
la curva de carga total del sistema elctrico es transformada en una
sucesin de DODC semanales. Modelo Semanal: en este caso las curvas
utilizadas corresponden a la previsin de
demandadiaria,lascualesseagreganenbloquehorarios,manteniendola
secuencia temporal. Modelo Diario: Tambin en este caso las curvas
utilizadas son las de previsin de demanda diaria pero discretizadas
en pasos de hora. d)Oferta de Generacin Hidroelctrica La operacin
hidrulica de los embalses se tiene en cuenta en forma explcita en
los
modelosestacionalysemanal.Estaoperacinesfuncindelascaractersticasdel
embalse de la central y de la cuenca a la que pertenecen. De
acuerdo a estas caractersticas se definen los siguientes tipos de
embalses Embalses no simulados: la operacin hidrulica de los mismos
es dato. Embalses simulados: la operacin hidrulica se simula. No
valorizados: corresponden principalmente a embalses de pasada
semanal. Se simula la operacin hidrulica con valor del agua cero.
Compensadores: su operacin simulada corresponde al caudal medio
semanal erogado por el embalse de aguas arriba. Valorizados:son
embalses de capacidad estacional o mensual, con una tabla de valor
del agua asociada. Se realiza la simulacin de la operacin hidrulica
de acuerdo a su tabla del valor del agua.
Paratodosloscasos,semodelanlasrestriccionesdeaguasabajoquelimitansus
posibilidades de despacho. Entre estas restricciones se puden
incluir: Caudal mnimo y mximo semanal erogable. Cota mnima y mxima.
Control de crecidas. Al igual que en el caso anterior se debe
considerar adicionalmente lo impuesto por los requerimientos
normativos asociados a cada modelo estacional, semanal y diario.
Fundacin Universidad Nacional de San Juan-Instituto de Energa
Elctrica DESPACHO DE GENERACION HIDROTERMICO 26 e)Oferta de
Generacin Trmica La oferta de generacin trmica de la regin elctrica
est representada en el mbito
degrupogenerador.Paracadamquinasedebeindicarcomodatolossiguientes
elementos: Potencia operablePotencia forzada Tipos de combustible
Consumo especfico medio Consumos internos Disponibilidad media
excluido el mantenimiento Mantenimientos previstos Costos variables
de produccin Sobrecostos de punta Factores de nodo por banda
horaria y tipo de da Area de abastecimiento para cada tipo de
combustible
Enelmbitodecadaregin,losgruposdecaractersticastcnico-econmicas
similares,quetienenasignadaslasmismasreasdeabastecimientoyutilizanlos
mismos combustibles, pueden ser agrupads en "grupos equivalentes".
f)Contratos de importacin/exportacin
Loscontratosdeimportacinsemodelancomounaofertaadicional,conuna
generacin forzada caracterizada mediante los siguientes
componentes: Curvas de carga comprometidas indicadas en el contrato
Energa obligada, indicada en el contrato Energa mensual mxima
requerible Curvas de carga prevista requerir/entregar g)Subsistemas
elctricos
Esposibleagregarlasrestriccionesformandosubsistemas,loscualesenalgunos
casos pueden estar formados por una nica regin. Se asume como
hiptesis que en el interior de cada subsistema el equilibrio oferta
demandapuedesersatisfechosinlaaparicinderestriccionesdetransporte.
Obviamenteestahiptesisesladeterminanteparalaseleccindelasregionesque
conformarn un subsistema elctrico.
Lasrestriccionesdetransporteyseguridadqueafectaneldespachoseestablecen
entre los subsistemas elctricos. Fundacin Universidad Nacional de
San Juan-Instituto de Energa Elctrica DESPACHO DE GENERACION
HIDROTERMICO 27h)Sistema de transmisin y prdidas Las
interconexiones entre subsistemas elctricos se representan mediante
una red que
permitefijarrestriccionesdetransmisinyoperacinquelimitanlacapacidad
transmisible y el intercambio entre regiones. Las prdidas en las
interconexiones se aproximan mediante un porcentaje del flujo, el
cualseadicionaporpartesigualesalasdemandasdelasregionesextremasdela
interconexinoeventualmentemedianteelingresocomodatodeterminsticodelas
prdidas regionales. Si se requiere un mayor detalle en el sistema
de transmisin, se pueden representar los corredores mediante sus
parmetros elctricos equivalentes: resistencia, reactancia y
capacidad mxima admisible. i)Criterios de seguridad Interreas:
Loscriteriosdeseguridaddereasserepresentanacotandosuperioro
inferiormente la sumatoria de la generacin total de una o ms
regiones, como un porcentaje de la sumatoria de la demanda de una o
ms regiones, para todos los bloque horarios. Conjuntas de
Generacin: El modelo debe admitir la introduccin de restricciones
conjuntas de generacin, en las cuales se impone una generacin mnima
a un subconjunto de grupos. Conjuntas de Transmisin: El modelo debe
admitir la introduccin de restricciones conjuntas de transmisin, en
las cuales el flujo mximo de una interconexin es funcin de la
generacin de un
conjuntodegrupos(trmicosy/ohidrulicos)ydelosflujosdeunconjuntode
interconexiones. j)Ciclo de Bombeo El modelo debe determinar la
conveniencia de realizar ciclos de bombeo en la semana, tomando el
costo asociado al mismo evaluado mediante el rendimiento econmico
del ciclo. El ciclo debe cerrar en la semana, lo cual significa que
el modelo tiene la obligacin de
determinarlasnecesidadesdeciclosdebombeoexclusivamentesemanales,sin
transferirenergadebombeodeunasemanaalasiguiente.Deestamaneraal
culminar la semana no se produce acumulacin de agua para bombeo en
el embalse. k)Dficit de Suministro. Mquinas de Falla A los efectos
de tener en cuenta la posibilidad de existencia de dficits de
suministro y de acuerdo a lo indicado en los procedimientos, se
definen en cada regin mquinas ficticias, denominadas de falla.
Fundacin Universidad Nacional de San Juan-Instituto de Energa
Elctrica DESPACHO DE GENERACION HIDROTERMICO 28Los procedimientos
imponen una representacin por escalones de costos crecientes,
siendolapotenciadecadaescalnexpresadaenporcentajedelademandadela
regin: Las mquinas de falla definidas en cada regin presentan las
siguientes caractersticas: Mquina de Falla 1: Falla mxima en el
suminstro: 1,6% de la demanda. Costo asignado: 120$/MWH. Mquina de
Falla 2: Falla mxima en el suminstro: 3,4% de la demanda. Costo
asignado: 170$/MWH. Mquina de Falla 3: Falla mxima en el suminstro:
5% de la demanda. Costo asignado: 240$/MWH. Mquina de Falla 4:
Falla mxima en el suminstro: 90% de la demanda. Costo asignado:
1500$/MWH.
Deestamaneralasumatoriadelasmquinasdefallaresultacomomximola
demanda total de la regin. l)Funcin Objetivo La gestin ptima de la
oferta determina el grado de utilizacin del parque hidrulico y
trmico,compitiendolos costos variables de produccin trmicos con los
valores del agua.
Paraello,elcriteriodelafuncinobjetivoesminimizarelcostototalvariablede
generacin del MEM, evaluado en el nodo de Mercado. Dicho costo
incluye la sumatoria de los costos variables de produccin trmicos
en el nodo de mercado, el costo variable de transporte mediante el
factor de nodo, el costo
variablehidroelctricoatravsdelosvaloresdelaguayelcostodeenergano
suministrada considerando las mquinas de falla. Fundacin
Universidad Nacional de San Juan-Instituto de Energa Elctrica
DESPACHO DE GENERACION HIDROTERMICO 295.OPERACIN EN TIEMPO REAL
EXTENDIDO 5.1ESTIMACION DE ESTADO Cadaunodelosalgoritmosyprogramas
de clculo digital (funciones de seguridad), que se utilizan en
modalidad de tiempo real extendido y que se requieren para lograr
unaseguridadadecuadaenlaoperacindelossistemasdepotencia,puedenser
implementadosnicamentesipreviamenteseconoceelverdaderoestadode
funcionamientodelsistema.Elestadodeunsistemadepotencia,encondiciones
estacionariasdefuncionamiento,seconoceatravsdelalgoritmodeestimacinde
estadoesttico,queapoyadoendatossobrelatopologayparmetrosdelared,
convierte un conjunto redundante de telemediciones en el estado
estimado del sistema de potencia, proveyendo una base de datos
completa, confiable y coherente.
Sibienexistendiferentesmodelacionesutilizadasenlosalgoritmosdeclculopara
estimarelestadodeunsistema,eldesarrolladoparticularmenteenelInstitutode
Energa Elctrica de la Universidad Nacional de San J uan -
Argentina, est basado en el mtodo de los mnimos cuadrados
ponderados. La Estimacin de estado es un algoritmo de procesamiento
de informacin que estima
elestadodeunsistemaelctricodefinidoporlastensionescomplejasentodaslas
barras de la red, a partir de un conjunto redundante de mediciones
(telemediciones). Este algoritmo admite los siguientes tipos de
mediciones: Tensin en las barras de la red. Inyeccin de potencia
activa y reactiva en barras de la red Flujo de potencia activa y
reactiva en ambos extremos de las lneas del sistema. El vector de m
mediciones efectuadas en el sistema de N barras, puede expresarse
mediante la siguiente expresin: z =f(x) +v(5.1) Donde: z: es el
vector de mediciones m x: es el vector de estado de dimensin n=2N-1
f(x): es el sistema de ecuaciones no lineales de dimensin nxm, que
permite calcular el estado actual del sistema v: es el vector de
error de las mediciones m
Comocondicindebercumplirsequemn,definindoselaredundanciaenla
medicin como (m n) / n El mtodo de los mnimos cuadrados ponderados
consiste en minimizar la suma de los cuadrados de los residuos,
ponderados por la inversa de la variancia. Los residuos se pueden
determinar segn la siguiente expresin: Fundacin Universidad
Nacional de San Juan-Instituto de Energa Elctrica DESPACHO DE
GENERACION HIDROTERMICO 30 r(x) =z f(x) La variancia 2 se define
como el valor esperado E del cuadrado de las desviaciones de las
variable z, correspondiente en este caso a las mediciones, desde su
media . 2 =E[( z - )2] Teniendo en cuenta lo anterior, la funcin de
minimizacin resulta: mnj =r12/12 +r22/22 +...........+rm2/m2 o
expresado en forma matricial: mn j =rT R-1 r Donde: R: es la matriz
de covariancia de los errores
Sesuponequeloserroresaleatoriosquesecometenalmedirsedistribuyen
normalmente y son independientes entre s. Vale decir que tienen
media igual a cero y variancia i2 conocida. E [v] =0 E [ v.vT] =R
Considerando las hiptesis planteadas surge: R =diag (12 , 22 ,
........ m2) de dimensin m x n La minimizacin de funcin objetivo
planteada conduce a una ecuacin cuya solucin se encuentra a travs
de un proceso iterativo, que tiene como punto de partida el perfil
planodetensionesenlosnodosdelared.Laecuacinutilizadaresultadeun
desarrollo en serie de Taylor de la ecuacin (5.1). (FTR-1F) x
=(FTR-1z) Donde:F:Es la matriz jacobiana asociada al desarrollo en
serie de Taylor de la ecuacin (5.1) Finalmente el proceso iterativo
queda formalmente expresado como: x+1 =x +A-1FTR-1 [z f(x)]
Donde:A=(FTR-1F) Fundacin Universidad Nacional de San
Juan-Instituto de Energa Elctrica DESPACHO DE GENERACION
HIDROTERMICO 31 Enlaprogramacin se ha recurrido a tcnicas modernas
de tratamiento de matrices ralas, aprovechando las caractersticas
de simetra y raleza que poseen las matrices intervinientes. Dada la
importancia de disponer en los centros de despacho de carga de una
base de datos confiable para la evaluacin de seguridad y el control
en tiempo real del sistema elctrico, resulta indispensable
complementar la metodologa de estimacin de estado
conprogramasqueaumentenanmssuconfiabilidadyqueestnorientados
especficamente a los siguientes problemas: a)Determinacin y
Restitucin de la Observabilidad de Sistemas Elctricos. La aplicacin
de la estimacin de estado al problema de la supervisin de la
operacin
deunsistemadepotenciaestestrechamentevinculadaalaobservabilidad.Un
sistema es observable cuando el conjunto de telemediciones
disponibles es suficiente
ennmeroyubicacinparaqueelestimadordeestadopuedaobservaralared
ntegramenteyporendepuedadeterminarlasmagnitudesdemduloyngulode
tensin en cada nodo de la red. Para brindar confiabilidad a la
determinacin del estado de un sistema elctrico, es indispensable
realizar un anlisis de la observabilidad del
sistemadepotenciaprevioaejecutarselaestimacindeestado,yaquesuelen
suceder diversas contingencias como fallas en las telemediciones,
prdidas de lneas de transmisin, cambios de topologa debido a la
eliminacin de una medicin con gran
error,etc.,lasquepuedenprovocarlainobservabilidaddelsistemadurantela
operacin.Sedebedeterminarsiesposibleestimarelestadodetodoelsistema
elctrico con las mediciones presentes (Determinacin de la
observabilidad), y en caso de que estas mediciones no sean
suficientes en nmero y ubicacin para estimar el
vectordeestado(sistemainobservable),sedebenidentificarlaolasreas
inobservables y tomar las medidas adecuadas con el finde estimar
correctamente el estado del sistema (Restitucin de la
observabilidad). El mtodo para determinar la observabilidad en
tiempo real consiste en la bsqueda de
unrbolobservableenelgrafodelaredbasndoseenelconceptodeclases
equivalentesdeungrafo.Elmtodo,quehaceusotambindelconceptodeclases
equivalentes,permiteidentificarlaolasreasobservables(Subredobservable
mxima),determinarelnmeromnimoeimprescindibledepseudomedicionesa
agregarpararestituirlaobservabilidad,confeccionarunalistadepseudomediciones
posiblesaagregarpararestituirlaobservabilidadeidentificartodaslavariantes
estimadasquesevenafectadasporloserroresdelaolaspseudomediciones
incorporadas. Este algoritmo de observabilidad es absolutamente
confiable y presenta reducidos tiempos de clculo. b)Deteccin,
identificacin y correccin de errores en la estimacin de estado
Resultaindispensablecomplementarlametodologadeestimacindeestadocon
algoritmosadecuadosparaeliminarelefectodeloserroresquesepresentanenla
entrada del proceso de estimacin. Entre tales errores se pueden
mencionar el ruido en
lasmediciones,lasmedicionesafectadasdegrandeserrores,loserroresde
configuracinenlasramasdelsistemayloserroresenlosparmetrosdelos
Fundacin Universidad Nacional de San Juan-Instituto de Energa
Elctrica DESPACHO DE GENERACION HIDROTERMICO 32componentes del
sistema. La eliminacin del ruido de las mediciones es una funcin
inherente al proceso de filtrado del algoritmo de estimacin.
Paraladeteccin,identificacinytratamientodemedicionescongrandeserroresla
metodologa de estimacin ha sido complementada con algoritmos
adecuados. Engenerallosmtodos de deteccin e identificacin
utilizados normalmente son los mtodos de los residuos ponderados,
de los residuos normalizados, de deteccin J (x) y de identificacin
B-test. Los procedimientos de tratamiento de las mediciones para
eliminar tales errores son generalmente el de eliminacin de la
medicin errnea del conjunto de mediciones, el de sustitucin por un
valor determinado a tal efecto y el de disminucin progresiva de su
influencia en el proceso de estimacin.
Apartirdeestudioscomparativosrealizadosentrelosdistintosmtodos,sehan
definidocriteriosgeneralesparaseleccionar,cualdeellosseadaptamejoralas
caractersticas, necesidades y condiciones del sistema elctrico a
controlar.
Losparmetrosdeloscomponentessonconsideradosestticos,suprecisiny
confiabilidadestnestablecidasporlaspruebasexhaustivasrealizadasantesde
aplicarlos en numerosos estudios.
Paraidentificarycorregirloserroresdeconfiguracin,sehacomplementadola
metodologadeestimacinconunalgoritmoqueselecciona,segnsupuntaje,un
conjunto de ramas dudosas, en las que se simulan cambios en el
estado de conexin, para identificar la rama configurada
errneamente. La asignacin de puntos se realiza considerando:
inconsistencia entre el valor de las mediciones de flujo y el
estado de
conexindelarama,medicionesidentificadascomoafectadasdegrandeserrores,
niveldecargadelarama,silaramaesmedida,etc.Esteprocedimientopresenta
amplia capacidad para identificar y corregir errores de
configuracin en ramas medidas o no, an cuando existan mediciones
afectadas de grandes errores en el sistema.
Unaaplicacin(enmodoestudio),delosmtodosdedeteccineidentificacinde
medicionescongrandeserrores,eseldesarrollodelametodologaparadisear
topologas de medicin ptimas. la aplicacin de la misma para mejorar
topologas ya
existentesoparadisearnuevas,conduceasignificativosahorrosenloscostosde
inversindeequipamientodemedicin,garantizandoadems,unaltogradode
confiabilidad en la base de datos utilizada para el control y
supervisin de redes. 5.2DESPACHO ECONMICO RESTRINGIDO
Enundespachoeconmiconormal,elcostodeoperacintotalesminimizadopor
variarlaspotenciasactivasdegeneracindelasunidadestrmicas.Cuandonose
considera la red elctrica se realiza un despacho econmico puro en
barra nica sin restricciones de red. En el despacho econmico
restringido el costo de operacin total
esminimizadoperoconsiderandoaspectosdeseguridaddelsistemadelared
Fundacin Universidad Nacional de San Juan-Instituto de Energa
Elctrica DESPACHO DE GENERACION HIDROTERMICO 33 AGC completa
evaluada en ese momento, a travs de la consideracin de
restricciones de
transmisinparadichared.Estoinvolucraenelmodelodeoptimizacinla
consideracin de restricciones de lmites de ramas (corrientes,
potencias) y de lmites de generacin de potencia activa y reactiva.
Se utilizan como variables de control las
potenciasactivasdegeneracin.Muchosdelosdespachoseconmicosrestringidos
implementados en los centros de control se basan en programacin
lineal. Normalmente el despacho econmico restringido se vincula con
un FOP previo que le define el conjunto de restricciones activas,
que le permite luego encontrar los valores de potencia activas de
generacin de las unidades trmicas. Posteriormente, a travs del
Control Automtico de Generacin (AGC) se despachan las unidades en
los valores determinados utilizando el sistema SCADA. La Figura 8.1
muestra una implementacin tpica de esta aplicacin en los centros de
control. El FOP y el Despacho Econmico Restringido se corren cada
15 minutos. El AGC cada 2 segundos. Figura 8.1 : Diagrama de flujo
propuesto para Despacho Econmico Restringido SCADA Despacho
Econmico Restringido Procesamiento Toplogico Estimador de Estado
Flujo de Potencia Optimo Restricciones Activas Acciones de
Control
