UNIVERSIDAD CATÓLICO “SANTO TORIBIO DE MOGROVEJO”

Facultad de IngenieríaEscuela Profesional de Ingeniería Mecánica Eléctrica

Optimización de la configuración de redes de distribución en Media Tensión (SECHO) para la disminución de pérdidas de energía eléctrica en zonas urbanas –

rurales de Chiclayo

ESTUDIANTE:MACHUCA FARFÁN ANA LUCIA

CHICLAYO, 27 NOVIEMBRE DE 2014

RESUMEN

En las últimas décadas ha proliferado la utilización de cargas del tipo no lineal, principalmente procesos que utilizan electrónica de potencia, descargas o arcos eléctricos. Estos tipos de cargas producen armónicos, bajas tensiones, sobretensiones, (flickers), parámetros que conforman la Calidad de Potencia.El objetivo principal de la presente tesis es mostrar un modelo de optima configuración de redes para la reducción y control de pérdidas de energía en el sistema de distribución de energía eléctrica en Media Tensión procedentes de las subestaciones eléctricas de Chiclayo. En particular se define el problema de planificación de configuración como búsqueda de localizaciones tamaños y momentos óptimos de construcción o ampliación de redes futuras es decir la configuración de estas y de sus equipos eléctricos. Es decir cuantificar las pérdidas de energía, planteando una alternativa inicial para su disminución, la cual consiste en un sistema de medición de potencia eléctrica, donde la demanda se ajuste y refleje el efecto económico adverso de estás.

A sido una preocupación constante del Sector Eléctrico, el identificar las pérdidas de energía eléctrica para ejecutar un control sobre las mismas, ya que estas representan grandes pérdidas económicas para las Empresas. La disminución de las pérdidas eléctricas se traduce en una mayor disponibilidad de capacidad instalada y menores gastos de operación para un mismo beneficio social y económico de consumo de electricidad. El problema de las pérdidas de energía también se traduce en un problema social, ya que una reducción de éstas libera recursos financieros. En la literatura técnica se recomienda que el porcentaje de pérdidas de energía eléctrica sea inferior al 10% y es deseable que sea aún inferior, del orden de un 5 a un 8%. Por ello el principal objetivo es crear un modelo que permita determinar la reconfiguración óptima de una red de distribución en M.T; como etapa posterior a la planificación de un sistema radial o anillo según convenga. Para resolver el problema de optimización se utiliza el modelo de flujo óptimo y camino más corto para minimización del costo total del sistema.

PROBLEMÁTICA

• ¿Será factible realizar un modelo de optimización para la reconfiguración de redes de distribución en Media Tensión para los alimentadores procedentes de SECHO basados en la disminución de pérdidas técnicas de energía eléctrica en Chiclayo?

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Plantear un modelo de optimización para la disminución de pérdidas de energía eléctrica basado en el flujo óptimo de potencia para la reconfiguración de las redes de distribución en M.T; en zonas urbanas –rurales del sistema eléctrico base SECHO. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:• Recolectar información sobre la configuración y pérdidas de energía en las

redes de distribución de energía eléctrica en Chiclayo. • Analizar los datos y establecer la carga eléctrica, suministros y equipamiento

eléctrico e identificar las pérdidas de energía en las redes de distribución de energía eléctrica en zonas urbanas – rurales de Chiclayo por alimentador utilizando la data histórica de la empresa ENSA Y OSINERGMIN.

• Plantear un modelo de optimización para la disminución de pérdidas de energía eléctrica en las redes de distribución de energía eléctrica en zonas urbanas – rurales de Chiclayo.

• Establecer el algoritmo óptimo para el paso de flujo optimo y minimización de las pérdidas de energía eléctrica en las redes eléctricas de distribución en M.T, de SECHO.

• Simular mediante un software adecuado el corrido del flujo de potencia debido al modelo de optimización para la disminución de pérdidas de energía .

OBJETIVO GENERAL

En este trabajo se presentó un análisis de la reducción de pérdidas técnicas de energía eléctrica en redes de distribución primaria. Se encontró la configuración que proporcione las mínimas pérdidas y aumente la confiabilidad de la red, constituye un problema de optimización que involucra reconfiguración y planificación de los equipos eléctricos y redes. Para la solución de dicho problema se utilizó el método "Algoritmo Dijkstra" O "El problema del camino más corto para flujo óptimo". Este método permitió analizar todas las combinaciones posibles de la configuración de la red, teniendo en cuenta las restricciones impuestas y de esta manera poder arribar a la solución óptima del problema. La importancia del cálculo de las pérdidas técnicas radica en que a partir de este valor se puede conocer las pérdidas no técnicas. En el presente trabajo de tesis se presentó una nueva metodología que aprovecha el desarrollo de programas de PC para realizar flujo de carga, modelar redes eléctricas; así como la implementación de algoritmos para procesar la información de consumo de energía de todo el sistema de distribución. Los resultados obtenidos por este método comprobaron la posibilidad de reducir las pérdidas de energía en forma significativa para la estabilidad y confiabilidad del sistema.

JUSTIFICACIÓN

• [1] J. Tangarife, “Estudio de Redistribución de Redes de Media Tensión en las Subestaciones Caldas, Ancón Sur e Itagüí de EPM mediante el uso de herramientas computacionales y propuesta para la Reconfiguración Topológica,” Trabajo de grado, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín, 2013.Muestra la reconfiguración para un grupo de circuitos de 13,2kV de las subestaciones de Caldas, Ancón Sur e Itagüí de las Empresas Públicas de Medellín E.S.P. Tiene como objetivo mejorar sus índices de cargabilidad, pérdidas técnicas y transferencia de carga ante contingencia. La metodología se desarrolla soportada en programa CYMDIST.

• [2] B. Orellana, “Calidad de Suministro en la Planificación de Redes de Distribución,” Tesis de grado, Depto de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Chile, Santiago, 2010.El principal objetivo de esta memoria es crear un algoritmo que permita determinar la configuración óptima de una red de distribución de M.T; como etapa posterior a la planificación de un sistema radial.

•[3]. J. Ojea, “Determinación de las pérdidas técnicas en una red de distribución,” Tesis de Master, Univ. Pontificia Comillas, Madrid, 2002.En este trabajo se analizan las diferencias entre estos dos tratamientos regulatorios de retribución de la actividad de distribución: por coste de servicio y por costes de una empresa eficiente adaptada a la demanda mediante el VNR, y como en ellos influye el cálculo y la determinación de las pérdidas técnicas.

ESTADO DEL ARTE:

ES EL CONJUNTO DE PÉRDIDAS DE UN SISTEMA DEBIDO A LOS FENÓMENOS FÍSICOS. SE DEBEN A LAS CONDICIONES PROPIAS DE LA CONDUCCIÓN Y TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA.

SE CLASIFICAN SEGÚN SU CAUSA EN PÉRDIDAS • FIJAS (FUNCIÓN DEL VOLTAJE)• VARIABLES (FUNCIÓN DE LA CORRIENTE)

PARA SU MEJOR ESTUDIO SE DIVIDE EL SISTEMA ELÉCTRICO EN TRES SISTEMAS :• SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN• SISTEMA PRIMARIO DE DISTRIBUCIÓN• SISTEMA SECUNDARIO DE DISTRIBUCIÓN

• PÉRDIDAS TÉCNICAS

• DIVISION DEL SINAC

SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN

ESTE SISTEMA CONSTA DE LOS SIGUIENTES

ELEMENTOS:

• LÍNEAS DE SUBTRANSMISIÓN.

• TRANSFORMADORES DE POTENCIA.

SISTEMA PRIMARIO DE DISTRIBUCIÓN

• ALIMENTADORES PRIMARIOS AÉREOS Y/O SUBTERRÁNEOS.

• TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN.

• EN EL SISTEMA SUBTRANSMISIÓN:

EFECTUANDO ESTUDIOS DE FLUJOS DE CARGA:

PARA HALLAR EL VALOR DE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA EN CADA CONDICIÓN DE CARGA.

UTILIZANDO EL FACTOR DE PÉRDIDAS:

LAS PÉRDIDAS DE ENERGÍA SE CALCULAN A PARTIR DE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA QUE SE PRESENTAN EN EL MOMENTO DE LA DEMANDA MÁXIMA.

• EN EL SISTEMA PRIMARIO DE DISTRIBUCIÓN

CALCULOS DE PÉRDIDAS DE ENERGÍA:

PARA DETERMINAR LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA SEUTILIZAN LOS SIMULADORES DE FLUJOS DE CARGAPOWER WORLD Y SPARD.

• EN EL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN Y SISTEMA PRIMARIO SE EVALÚAN LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA EJECUTANDO EL SIMULADOR NEPLAN.

• EL RECORRIDO DE LOS ALIMENTADORES SE PUDO IDENTIFICAR EN EL PROGRAMA MAPINFOW.

•LA CREACION DEL ALGORITMO Y MODELO SE REALIZARAN EN EL SOFTWARE MALAB Y C++

HERRAMIENTAS EJECUTADAS

INFORMACIÓN REQUERIDA

EN EL SISTEMA SUBTRANSMISIÓN:

• DIAGRAMA UNIFILAR DEL SISTEMA.

• PARAMETROS DE LÍNEAS Y SUBESTACIONES

• CARGA EN LAS SALIDAS DE LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA.

EN EL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN PRIMARIO :

• DIAGRAMA UNIFILAR DEL SISTEMA.

• DESPACHO DE CARGA DEL ALIMENTADOR.

• PARAMETROS DE LAS LÍNEAS PRIMARIAS, SECUNDARIAS TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN, CONDENSADORES, ETC.

• CONSUMOS DE LOS CLIENTES DE LA RED.

•METODOLOGIA

DIVISIÓN METODOLÓGICA DE LA TESIS

El informe se encuentra dividido en 07 capítulos, en el primero se realiza una introducción al desarrollo de la tesis, en el segundo se describe la problemática y el marco teórico básico, en el tercero una descripción del sistema eléctrico base SECHO , y un análisis de la situación de las pérdidas de energía eléctrica en el sistema de distribución de SECHO, en el cuarto se describe la metodología aplicada para la reconfiguración del sistema de distribución de acuerdo al nivel de pérdidas de energía, en el quinto se manifiestan los resultados del método planteado además se efectúa una discusión de las consideraciones que se deben tener en cuenta para la reducción de las pérdidas de energía en base a resultados – objetivos – hipótesis - problema, sexto se describe en base a los hallazgos de resultados (diagnóstico) y análisis (discusión), se plantean las alternativas de solución al problema, el séptimo las conclusiones que se desprenden del presente informe el octavo y noveno las referencias bibliográficas y Anexos.

MATERIALES Y METODOS

INVESTIGACIÓN OPERATIVALa principal característica de la Investigación Operativa consiste en construir un modelo científico del sistema del cual se pueden predecir y comparar los resultados de diversas estrategias y decisiones, incorporando medidas del azar y del riesgo.

OPTIMIZACIÓNLa optimización es una parte relevante dentro de la investigación operativa. La optimización consiste en la selección de una alternativa mejor, en algún sentido, que las demás alternativas posibles. En este proyecto tenemos la responsabilidad de gestionar un sistema: transporte de energía de un punto a otro (desde cada subestación a cada uno de los consumidores). Los problemas de optimización se componen generalmente de estos tres elementos:

RestriccionesRepresentan el conjunto de relaciones (expresadas mediante ecuaciones e inecuaciones) que ciertas variables están obligadas a satisfacer. Por ejemplo, no superar la potencia nominal del transformador, no superar los límites de tensión establecidos por el organismo regulador. Función objetivoSe denominan soluciones factibles, aquellas que verifican las restricciones. Por lo tanto, es necesario establecer criterios que permitan ordenar las soluciones. De esta manera se puede definir una función objetivo que valore cuantitativamente la calidad de la solución.Como ejemplo de funciones objetivo se pueden mencionar: la minimización de los costes variables de operación de un sistema, la minimización de las desviaciones con respecto a unos valores observados, la minimización del material utilizado, etc. VariablesRepresentan las decisiones que se pueden tomar para afectar el valor de la función objetivo. Desde un punto de vista funcional son variables independientes o de control y variables dependientes o auxiliares o de estado. Ejemplo, la potencia disponible en el transformador, potencia demandada por cada consumidor, etc. Las decisiones se denominan variables de control, por ejemplo, una topología de red no mallada o la ubicación de la subestación en las esquinas. En el caso de un sistema eléctrico serán los flujos por las líneas.

Restricciones• Abastecer la totalidad de la demanda.• Cumplir la regulación de tensión.• Existencia de un conjunto discreto de conductores.• Existencia de un conjunto discreto de transformadores.• Realizar un trazado radial de la red.• Respetar las zonas prohibidas de paso.

DISEÑO METODOLÓGICO: Tipo De Estudio Y Diseño De Contrastación De Hipótesis:La presente investigación es tipo experimental porque se va proponer un modelo de optimización y simular el mismo con datos reales. Población, Muestra De Estudio Y Muestreo Y Proyección De RedesPoblación: Está constituida por el total de alimentadores que parten de SECHO que cubren la demanda de energía eléctrica tanto en la ciudad de Chiclayo como en otras ciudades. De dicha población se tomó como muestra no probabilística a los alimentadores derivados de SECHO, El cual asciende a un total de 16 alimentadores.

Métodos, Técnicas E Instrumentos De Recolección De DatosTécnica empleada: Análisis de documentos, con la cual se extrajo los datos relevantes a tenerse en cuenta en el modelo de optimización propuesto; para tal efecto se utilizó como instrumento de recolección de datos la ficha para análisis documentario. Plan De Procesamiento Para Análisis De DatosTécnica estadística para utilizar es el promedio, medida de tendencia central. Los datos se ordenaron de manera matricial. Donde las filas están conformadas por los 17 alimentadores que salen de SECHO y las columnas están conformadas por las características de dichos alimentadores expresados en términos de pérdidas de energía. El desarrollo del algoritmo para optimizar las pérdidas de energía permitirá conocer el resultado de reconfigurar las redes. El software utilizado para establecer las conclusiones será el Matlab versión 2014 y C++ , y para la simulación del flujo de potencia NEPLAN.

Características de Población y muestra

• Trazado de las áreas de influencia de las Subestaciones de Potencia existentes y proyectas, por medio de la aplicación de mediatrices.

• Trazado de las áreas de influencia de los futuros alimentadores, utilizando los datos de carga de las subestaciones de distribución con sus respectivas cargas al año final del estudio de planeamiento eléctrico. Se debe tener en cuenta que esta proyección se basa más en el crecimiento de las demandas de las cargas en las zonas de influencia de las subestaciones de distribución. Queda sobreentendido que dentro de 20 años existirán más equipos de transformación en las zonas de influencia. Estas áreas de influencia concentran cargas de entre 1MW a 2 MW de acuerdo su concentración. Con las áreas de influencia de los futuros alimentadores se trazarán las posibles rutas de los AMT iniciando su crecimiento desde las SET y expandiéndose en forma radial en el terreno. Para una distribución de carga en un sistema de 10kV, se plantearán AMT con cargas máximas que fluctúan entre 4MW y 5MW.

Vista satelital de la Subestación Chiclayo Oeste

Proyección de la demanda SEIN 2013-2019

AñoDemanda Conserv.

Tasa Demanda Media

Tasa Demanda Optimista

Tasa

MW % MW % MW %2014 5,940 7.3% 6,677 9.6% 7,435 13.3%2015 6,484 9.2% 7,510 12.5% 8,195 10.2%2016 7,121 9.8% 8,065 7.4% 8,751 6.8%2017 7,493 5.2% 8,464 5.0% 9,099 4.0%2018 7,822 4.4% 8,795 3.9% 9,470 4.1%2019 8,142 4.1% 9,148 4.0% 9,852 4.0%

POTENCIA

PROYECCIÓN DE LA DEMANDA CHICLAYO

Capacidad actual transformación 220/60 kV: 2x50 MVA

Etiquetas de fila

Suma de CONSMAYMT

Suma de CONSUMOAP

Suma de PERDIDAS Suma de PERD

Suma de CONSTOTAL

Suma de DISTRIBUIDA

C-211 181334 117435 -93891 -1860 1666590 1690134C-212 950792 124624 5948220 -4532 2241717 8314561C-214 449550 111689 54142133 -2075 1617040 55870862C-215 464787 41715 -31760 -498 984039 993994C-216 1384927 58781 -50904 -43057 1955052 1962929C-217 588357 136747 84526 -1064 2499580 2720853C-219 730462 91098 10644 -726 1538569 1640310C-221 74345 71280 21175 -327 1232392 1324847C-233 66233 84412 -78547 -27563 1133820 1139685C-234 170638 26959 -147128 -376 952650 832480C-236 80641 69534 3161776 -3707 1236508 4467818C-237 1020491 39569 -87660 -127 1753727 1705636C-238 98028 43783 -39592 -378 909472 913662C-244 121622 41577 18479 -102 439460 499516C-245 282360 36256 13841 87 1311108 1361205C-246 548596 131248 372297 66 2228906 2732450C-247 1130601 30493 -110584 -211 1801643 1721553C-248 8900 66520 1007180 -1786 650973 1724673C-250 513601 51110 -269321 -25864 2086393 1868181C-251 84767 10836 5737 -47 867299 883872N110 442472 0 0 0 442472 442472N111 0 0 -2560 -30 11200 8640O110 0 0 -8800 0 8800 0Total

general 9393505 1385664 63865261 -114178 29569408 94820333

Instalación de equipos de compensación reactiva para eliminar los sobrecostos de penalizaciones por transporte de energía reactiva y asegurar un nivel bajo de pérdidas técnicas.

Reducción de Pérdidas