02. analisis y soluciones de problemas en sistemas electricos de distribucion

7/23/2019 02. Analisis y Soluciones de Problemas en Sistemas Electricos de Distribucion

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Resumen —La solución de varios problemas

presentes en los Sistemas Eléctricos de Potencia,

SEP, y Sistemas Eléctricos de Distribución, SED,

necesitan de mucho análisis y de herramientas

potentes que permitan alcanzar la solución

óptima a dichos problemas. Una de estas

herramientas es la aplicación de Inteligencia

Artificial, por lo cual, en este documento se

mencionan algunos de los problemas en los SEPy SED y algunas herramientas de IA que pueden

ser aplicadas para lo solución de estos

problemas. Previo a esto, se realiza un análisis de

algunas de las configuraciones que tiene un SED

y los elementos que conforman el mismo.

Índice de Términos—Inteligencia Artificial, Problemasen Sistemas Eléctricos de Potencia, Problemas en SistemasEléctricos de Distribución.

I. I NTRODUCCIÓN n sistema eléctrico de potencia incluye lasetapas de generación, transmisión, distribución

y utilización de la energía eléctrica, y su función primordial es la de llevar esta energía desde loscentros de generación hasta los centros de consumoy por último entregarla al usuario en forma segura ycon los niveles de calidad exigidos.

Aproximadamente las 2/3 partes de la inversióntotal del sistema de potencia, están dedicados a la

parte de distribución, lo que implica necesariamenteun trabajo cuidadoso en el planeamiento, diseño yconstrucción y en la operación del sistema dedistribución, lo que requiere manejar unainformación voluminosa y tomar numerosasdecisiones, lo cual es una tarea compleja pero degran trascendencia [1], de ahí que, los sistemas dedistribución son parte importante del sistema de

potencia, las cuales están directamente relacionadoscon el usuario final, por lo que, se requieremantener altos niveles de confiabilidad en elsuministro y en la calidad de la energía.

Los requerimientos de calidad son cada vez másexigentes, significando mayores retos para los profesionales encargados de la planificación,operación y mantenimiento [2].

Para ubicar el sistema de distribución obsérveseel esquema de un sistema de potencia de la Fig. 1.

Fig. 1 Ubicación de un Sistema de Distribución en un

Sistema Eléctrico de Potencia [1] El sistema de distribución a su vez está

conformado por:

A. Subestaciones Receptoras Secundarias

Donde se transforma la energía recibida de laslíneas de subtransmisión y dan origen a los circuitos

de distribución primarios. B. Circuitos Primarios

Que recorren cada uno de los sectores urbanos yrurales suministrando potencia a lostransformadores de distribución a voltajescomo13.8 kV, 11.4 kV, 7976.87 V, etc.

C. Transformadores de Distribución

Se conectan a un circuito primario y suministran

Análisis y Soluciones de Problemas en SistemasEléctricos de Distribución

Antonio de Jesús Ortiz L. , Herramientas de Inteligencia Artificial, Maestría en Ingeniería

Eléctrica en Distribución, EPN

U



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servicio a los consumidores o abonados conectadosal circuito secundario.

D. Circuito Secundario

Encargados de distribuir la energía a los usuarioscon voltajes como 120/208 - 120/240 V y engeneral voltajes hasta 600 V.

II. TIPOS DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN [3]

Existen tres tipos de sistemas básicos dedistribución, los cuales son:

- Sistema radial- Sistema anillo- Sistema en malla o malladoEstos tipos de sistemas, son los más comúnmente

utilizados, por lo que en los siguientes temas se daráuna explicación de su funcionalidad, características,

ventajas, desventajas y particularidades que tienecada uno de ellos. Al utilizar un sistema dedistribución este estará expuesto inevitablemente aun buen número de variables tanto técnicas comolocales y ante todo una variable económica por loque los sistemas de distribución no tienen unauniformidad, es decir, que un sistema eléctrico seráuna combinación de sistemas.

A. Sistema Radial

Es aquel que cuenta con una trayectoria entre la

fuente y la carga, proporcionando el servicio deenergía eléctrica. Un sistema radial es aquel quetiene un simple camino sin regreso sobre el cual pasa la corriente, parte desde una subestación y sedistribuye por forma de “rama”, como se ve en lasiguiente Fig. 2.

Fig. 2 Sistema Radial de Distribución [2]

Este tipo de sistema de distribución tiene comocaracterística básica, el que está conectado a un sólo

juego de barras. Existen diferentes tipos de arreglosobre este sistema, la elección del arreglo estásujeta a las condiciones de la zona, demanda,confiabilidad de continuidad en el suministro deenergía, costo económico y perspectiva a largo plazo.

B. Sistema AnilloEs aquel que cuenta con más de una trayectoria

entre la fuente o fuentes y la carga para proporcionar el servicio de energía eléctrica. Estesistema comienza en la estación central osubestación y hace un “ciclo” completo por el área aabastecer y regresa al punto de donde partió. Locual provoca que el área sea abastecida de ambosextremos, permitiendo aislar ciertas secciones encaso de alguna falla.

Este sistema es más utilizado para abastecergrandes masas de carga, desde pequeñas plantasindustriales, medianas o grandes construccionescomerciales donde es de gran importancia lacontinuidad en el servicio.

Fig. 3 Sistema en Anillo [2]

Cualquier variante del sistema en anillo,normalmente provee de dos caminos dealimentación a los transformadores de distribucióno subestaciones secundarias. En general, lacontinuidad del servicio y la regulación de tensiónque ofrece este sistema son mejor que la que nos da

el sistema radial. La variación en la calidad delservicio que ofrecen ambos sistemas, depende delas formas particulares en que se comparen.

Regularmente, el sistema anillo tiene un costoinicial mayor y puede tener más problemas decrecimiento que el sistema radial, particularmenteen las formas utilizadas para abastecer grandescargas. Esto es principalmente porque dos circuitosdeben ponerse en marcha por cada nueva



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subestación secundaria, para conectarla dentro delanillo. El añadir nuevas subestaciones en elalimentador del anillo obliga a instalar equipos quese puedan anidar en el mismo.

C. Sistema Red o Malla

Una forma de subtransmisión en red o en malla

provee una mayor confiabilidad en el servicio quelas formas de distribución radial o en anillo ya quese le da alimentación al sistema desde dos plantas yle permite a la potencia alimentar de cualquier planta de poder a cualquier subestación dedistribución.

Este sistema es utilizado donde la energíaeléctrica tiene que estar presente sin interrupciones,debido a que una falta de continuidad en un periodode tiempo prolongado tendría grandesconsecuencias, por ejemplo: en una fundidora.

Fig. 4 Sistema de Distribución Red o Malla [2]

III. PRINCIPALES PROBLEMAS EN SISTEMA

ELÉCTRICO DE POTENCIA

Los problemas que se pueden presentar en unSEP, están directamente relacionados con losequipos que forman parte de la red y la complejidadde la misma, ya que, mientras más equipamientotenga un sistema, menos lineal se convierte la red

para su análisis. A continuación se menciona los problemas que se pueden tener en varios de losequipos de un SEP.

A. Generadores

Un control inadecuado en la generación deenergía eléctrica, puede ocasionar que sobrepase loslímites superior e inferior de entrega, establecidosen la curva de capabilidad del generador, por talmotivo, es de suma importancia tener los controles

adecuados, ya sea reguladores de velocidad yreguladores de voltaje, y así evitar que el generadorsalga de servicio por la violación de estos límites yla subsecuente operación de los equipos de protección.

La salida intempestiva de un generador, puedeocasionar la operación de los relés de frecuencia devarios alimentadores, ocasionando la suspensión deenergía eléctrica a los usuarios, además, esta salidade generación, sin un deslastre de carga adecuado, puede originar la oscilación de generadores entre sí,causando una estabilidad transitoria, dichaoscilación, puede motivar al colapso total del SEP.

Otra problema que su puede mencionar es el quese origina por potencia inversa, operando elrelevador 32, esto se genera cuando al estar ungenerador trabajando, suceden fallas en su red

eléctrica asociada (por ejemplo de fase a tierra)cercanas al generador eléctricamente, el generadoren ese instante deja de aportar parte de su potenciaeléctrica por presencia de falla y a medida que pasael tiempo, el generador llega a absorber potencia, siel tiempo de liberación de falla tarda en liberarse, elgenerador tiende a ir cada vez más absorbiendo potencia y puede el relevador 32 llegar a su valor dedisparo y desconectar el generador.

B. Transformadores

Muchos de los problemas en transformadores,están relacionados con la parte constructiva, puestoque, puede darse una falla en el aislamiento de las bobinas, del núcleo y respecto a tierra,subsecuentemente se tendría la salida de esteequipo, ya sea por la operación de su proteccióneléctrica o mecánica.

Otro de los problemas que se tiene, no solo en lostransformadores de potencia, sino también en lostransformadores de distribución, es la sobrecarga

temporal, esto ocasiona que con el tiempo, sereduzca la vida útil del transformador y se vayadeteriorando el aislamiento internos deltransformador.

Una ubicación inadecuada del intercambiador detomas del transformador, puede ocasionar problemas en el control de voltaje en la red, esto es, bajos o sobre voltajes, fuera de los límitesestablecidos por las Normas Nacionales o



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Internacionales, en Ecuador, las normasestablecidas por el CONELEC.

C. Líneas de Transmisión

Los problemas más comunes en líneas detransmisión, son los cortocircuitos ocasionados porárboles, descargas atmosféricas, ruptura de

conductores y perdida de la distancia deaislamiento, esto genera la salida de líneas por laactuación de sus equipos de protección,subsecuentemente, se realiza una redistribución decarga en el SEP, en el peor de los casos, esta nuevadistribución causaría la sobrecarga de otras líneasde transmisión, originando la operación de susequipos de protección por sobrecarga, lo cual provocaría una nueva distribución de carga.

Otro problema que se puede presentar en las L/Tes la sobrecarga temporal del conductor, puesto que,muchas de las veces, las L/T están obligadas atransportar corrientes más elevadas que su límitesuperior. Estas sobrecargas se presentanocasionalmente y son de corta duración, pero producen un aumento de temperatura, comoconsecuencia de esto, la línea tendrá variaciones entemperatura y corriente alterando las característicaseléctricas y mecánicas.

D. Subestaciones Eléctricas

Los problemas más comunes en una subestacióneléctrica, están relacionados con puntos calientesque se generan en uniones o conexiones entreconductores, estos puntos calientes pueden serdetectados y corregidos a tiempo con un adecuadomantenimiento predictivo, ya sea por termografía o por inspección visual.

IV. PRINCIPALES PROBLEMAS EN SISTEMA

ELÉCTRICO DE DISTRIBUCIÓN

El problema de la distribución es diseñar,

construir, operar y mantener el sistema dedistribución que proporcionará el adecuado servicioeléctrico al área de carga a considerarse, tomandoen cuenta la mejor eficiencia en operación.

Desafortunadamente, no cualquier tipo desistema de distribución puede ser empleadoeconómicamente hablando en todas las áreas por ladiferencia en densidad de carga, por ejemplo, noaplica el mismo sistema para una zona industrial

que una zona rural debido a la cantidad de cargaconsumida en cada uno de ellos; también, seconsideran otros factores, como son, la planta dedistribución existente, la topografía, etc.

Para diferentes áreas de carga o incluso paradiferentes partes de la misma área de carga, elsistema de distribución más efectivo podría tomardiferentes formas. El sistema de distribución debe proveer servicio con un mínimo de variaciones detensión y el mínimo de interrupciones, debe serflexible para permitir expansiones en pequeñosincrementos así como para reconocer cambios enlas condiciones de carga con un mínimo demodificaciones y gastos.

Esta flexibilidad permite guardar la capacidad delsistema cercana a los requerimientos actuales decarga y por lo tanto permite que el sistema use de

manera más efectiva la infraestructura. Además ysobre todo elimina la necesidad para predecir lalocalización y magnitudes de las cargas futuras [3].

Algunos problemas puntuales que se tiene en losSED son:

- Bajo nivel de voltaje en el punto de entrega.- Elnivel de voltaje en el punto de entrega, esdecir, en el medidor de energía de un usuario,es de suma importancia, puesto que, este debeestar dentro de la banda de voltaje permitido,

de no ser así, problemas de sobrecarga enconductores pueden presentarse cuando setrate de una carga de característica potenciaconstante, también puede que muchosequipos electrónicos no funcionenadecuadamente.

- Perdidas de energía en el SED.- Las pérdidas deenergía en la red afectan directamente a ladistribuidora puesto que, esa energía de perdidas, no puede ser facturada,representando perdidas económicas para la

empresa, además, estas pérdidas puedenocasionar caída de voltaje.

- Bajo factor de potencia en instalacionesindustriales.- El factor de potencia eninstalaciones industriales es un parámetro quedebe ser controlado por las empresasdistribuidoras, puesto que, esto representa unalto consumo de potencia reactiva de la red,afectando los niveles de voltaje en el punto de



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entrega de usuarios residenciales eincrementados las pérdidas en el SED.

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Fallas de alta impedancia.- Este tipo de fallas se presenta cuando un conductor energizado caesobre una superficie con alta impedancia, esmuy difícil para los relés de protecciónconvencionales detectar esta anomalía, por locual, la única fuente de información de esteevento, es los usuarios, al reportar al Centrode Llamadas dicha anomalía. Existen relés de protección que ya tienen la función dedetección de fallas de alta impedancia, sinembargo, por la complejidad de este tipo defallas, no todas las fallas de este tipo puedenser detectadas al 100%.

- Falta de selectividad en la operación de equiposde protección.- Cuando ocurre una falla en un

alimentador, el primer equipo de protecciónque debe operar es el re conectador, teniendocomo respaldo al relé de protección decabecera del alimentador, una operaciónselectiva garantiza la continuidad de servicio para la zona no afectada por la falla.

- Sobrecarga de transformadores y conductoresdel SED.- Al igual que en lostransformadores de potencia y conductores delas L/T, una sobrecarga en un transformador

causa la reducción de la vida útil deltransformador y deterioro del aislamientointerno, en un cable, ocasiona que se pierdalas características eléctrica y mecánica.

- Armónicos [4].- La presencia de armónicos enuna instalación, o red de distribución eléctrica puede acarrear innumerables problemas, talescomo sobrecalentamientos en los conductoresespecialmente en el neutro de lasinstalaciones, debido al efecto pelicular,disparos intempestivos de Interruptores

Automáticos y Diferenciales, disminución delfactor de potencia de una instalación yenvejecimiento e incluso destrucción de las baterías de condensadores utilizadas para sucorrección debido a fenómenos de resonanciay amplificación, vibraciones en cuadroseléctricos y acoplamientos en redes detelefonía y de datos, deterioro de la forma deonda de la tensión, y consiguiente

malfuncionamiento de los aparatos eléctricos,calentamientos, degradaciones en losaislamientos, embalamientos y frenados enmotores asíncronos.

- La planificación tanto de la operación yexpansión de los SED en el largo plazo es unatarea altamente compleja, que involucra altoscostos de inversión y una gran diversidad dealternativas posibles. Razón por la cual se handesarrollado numerosos algoritmosmatemáticos y computacionales capaces deresolver problemas de estas magnitudes.

- Bajo condiciones normales de explotación, latopología de la red puede ser modificada conel objeto de reducir las pérdidas, mejorar el perfil de tensión del alimentador y aumentarsu confiabilidad, mientras se satisfagan todos

los requerimientos de carga y se mantenga laoperación del sistema en forma radial. Estosrequerimientos conducen a un complejo problema de optimización que, planteados entérminos matemáticos, resulta entero no-lineal. La solución óptima exacta puede serobtenida al examinar todas las posiblescombinaciones de apertura o cierre deinterruptores de un SD, demandando suresolución un excesivo tiempo de operación

computacional.V. PROBLEMAS DEL SEP Y SED QUE PODRÍAN SER

R ESUELTOS CON HERRAMIENTAS DE I NTELIGENCIA

ARTIFICIAL

Muchos de los problemas en los SEP y SEDmencionados anteriormente, podrían sersolucionados aplicando herramientas de inteligenciaartificial, sin embargo, previo a la aplicación de estaherramienta, es primordial definir que método se vaa emplear para la solución del problema, ya que, se

podría cometer el error de utilizar un métodorobusto aplicado a un problema q puede ser resueltoóptimamente con un método sencillo yconvencional, de ahí la importancia de determinar yanalizar el método a ser utilizado. A continuación semenciona algunos de los problemas en los SED que podrían ser resueltos con las herramientas de IA.

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Mantener un nivel de voltaje dentro de loslímites máximos y mínimos establecidos por



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la normativa del CONELEC, se podría lograrcon la posición optima de los cambiadores detomas de los transformadores y con laubicación optima de banco de capacitores, para lograr esto, se podría utilizar unalgoritmo de optimización meta heurístico, yasea un PSO (Particle Swarm Optimization) oun GA (Genetic Algorithm).

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Para reducir las pérdidas de energía en un SED,se podría plantear como una función objetivoo una restricción en la aplicación del PSO oGA en la ubicación optima de banco decapacitores y posición del cambiador detomas de los transformadores, logrando a lavez, tener niveles óptimos de voltaje en el punto de entrega y reduciendo las pérdidas deenergía en el SED.

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Frente a la presencia de una falla de altaimpedancia, la onda de voltaje y corriente seven distorsionadas por el efecto de arcoeléctrico generado por el contacto delconductor sobre la superficie de altaimpedancia, este patrón podría seralmacenado en una base de datos, tanto encondiciones normales como en fallas de altaimpedancia, una red neuronal podría iraprendiendo de estos patrones, a tal punto

que, al presentarse una falla de altaimpedancia, caracterizada por la distorsión deonda, tanto de corriente como de voltaje, ycondiciones normales de operación, estaherramienta de IA sea capaz de enviar unaalarma al Centro de Control de Carga oenviar un disparo al interruptor asociado alalimentador fallado.

- La aplicación de un meta heurístico para elestudio de coordinación de protecciones,dependerá de la configuración de la red, ya

que, coordinar una red mallada no es igualque coordinar una red radial, por tal motivo,la aplicación de esta herramienta de IA,dependerá estrictamente de la configuraciónde mi SED, de las restricciones establecidas yde la función objetivo, a pesar de lo robustoque sería utilizar un meta heurístico, nosiempre va a ser conveniente utilizar estaherramienta.

- Frente al problema de la planificación se handesarrollado diversos modelos basados entécnicas de optimización numérica, programación dinámica, programación enteramixta, métodos heurísticos entre otros,orientándose recientemente a la aplicación deAlgoritmos Evolutivo. Esto a causa de laslimitaciones de los modelos antes citados encuanto a las capacidades computacionales,tamaño de redes a modelar, calidad de losdatos y número de simplificaciones principalmente [5].

- Tomando como base las bases de datoshistóricas con que cuenta una empresadedicada a la distribución de energíaeléctrica, tanto a nivel regional como local, seinvestiga un modelo de IA que permita

establecer una forma de realizar elmantenimiento de los sistemas, en donde seestablezcan los costos mínimos de estemantenimiento teniendo en cuenta como parámetro básico la confiabilidad del sistema[6].

- Se puede utilizar un GA para la configuraciónoptima de la red de energía eléctrica, estogracias a que la mayoría de alimentadores sonde forma radial, de tal manera que, mediante

interruptores de enlace, yo puedo realizarmaniobras de transferencia de carga entrealimentadores y mejorar los niveles de voltajey reducir pérdidas en el SED, laconfiguración optima se logra con laaplicación de dicho GA [7].

VI. REFERENCIAS

[1] S. Ramírez, “Redes de Distribución deEnergía”, 3ra ed., Ed. Colombia: Centro dePublicaciones Universidad Nacional de

Colombia, 2004.[2] http://www.tecsup.edu.pe/especializacion/2013/

PEP-sistemas-distribucion-energia-electrica.pdf[3] http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitst

ream/handle/132.248.52.100/784/A4%20SISTEMAS%20DE%20DISTRIBUCION.pdf?sequence=4

[4] http://blog.gesternova.com/los-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones/



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[5] http://web.ing.puc.cl/power/paperspdf/montagnon.pdf

[6] O. Robledo, “Optimización del Costo deMantenimiento de Sistemas de DistribuciónEléctrica”.

[7] O. Anaut, F. di Mauro, G. Meschino, A. Suarez,“Optimización de Redes Eléctricas Mediante la

Aplicación de Algoritmos Genéticos”.

VII. BIOGRAFÍA

Antonio De Jesús OrtizLópez: Nació el 01 de juniode 1986 en la ciudad deAmbato, cursó sus estudiosde bachillerato en el InstitutoTecnológico Superior Bolívarde la ciudad de Ambato y susestudios superiores de

Ingeniería Eléctrica en la Escuela Politécnica Nacional. Su proyecto de titulación trata sobre elAnálisis de Estabilidad de Voltaje en EstadoEstable del Sistema de Subtransmisión de laEmpresa Eléctrica Quito. Actualmente se encuentratrabajando en la “Empresa Eléctrica Ambato S.A.”en donde se desempeña en al área de Subestacionesy Líneas de Subtransmisión como Jefe de Área.

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