Criterios de diseño de la red de transmisión

Subdirección de Programación
Criterios de Diseño de la
Red Eléctrica Principal de CFE
Septiembre,2007
Subdirección de Programación
Criterios de Diseño de la Red Eléctrica Principal de
Comisión Federal de Electricidad
Criterios de diseño de la red de transmisión
Las adiciones de capacidad de transmisión que se requieren para abastecer la
demanda esperada a costo mínimo, se determinan mediante estudios técnicos
y económicos de las opciones disponibles, aplicando los criterios establecidos
de seguridad, calidad, confiabilidad y economía.
Los Beneficios que se derivan de la expansión de la red eléctrica principal están
relacionados con uno o mas de los conceptos siguientes:
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Criterios de diseño de la red de transmisión
• Seguridad. Posibilidad de mantener operando en sincronismo las unidades
generadoras inmediatamente después de una contingencia crítica de generación o transmisión.
• Calidad. Posibilidad de mantener el voltaje y la frecuencia dentro de los rangos aceptables.
• Confiabilidad. Reducción del valor esperado de la energía que no es posible
suministrar, debido a posibles fallas de los elementos del sistema.
• Economía de la operación. Reducción de los costos de operación del sistema
eléctrico.
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CRITERIOS UTILIZADOS EN LA PLANEACIÓN Y DISEÑO DE LA RED DE
TRANSMISIÓN, MEDIO Y CORTO PLAZO
CRITERIO
OBJETIVO MÍNIMO DE DISEÑO
Calidad de servicio bajo
condiciones normales.
Debe conservarse el voltaje dentro de un rango de variación, con respecto a la
tensión nominal.
Confiabilidad de estado
permanente ante contingencia
sencilla1.
Evitar cualesquiera de los eventos siguientes:
a)
b)
c)
Interrupción de servicio excepto cuando la carga se alimenta en forma radial.
Sobrecarga en líneas de transmisión o banco de transformación.
Violación de límites de voltaje en subestaciones.
Seguridad en condiciones
transitorias posteriores a la
contingencia sencilla1.
Evitar cualesquiera de los eventos siguientes:
Pérdida de sincronismo de las unidades generadoras.
a)
Sobrecarga de los elementos de transmisión.
b)
Disparo de carga por baja frecuencia.
c)
Violación de los límites de voltaje en los nodos de la red troncal.
d)
Económico
Seleccionar la opción de mayor diferencia Beneficio-Costo.
1
Contingencia sencilla, salida de unidad generadora, línea de transmisión o banco de transformación.
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Criterios de diseño de la red de transmisión
Confiabilidad de estado permanente ante contingencia sencilla (n-1).
El objetivo mínimo de diseño consiste en evitar cualesquiera de los
eventos siguientes:
• Interrupción del servicio, excepto cuando la carga se alimenta en
forma radial.
• Sobrecarga en líneas de transmisión o bancos de transformación.
• Violación de límites de voltaje en subestaciones.
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Calidad de servicio, en condiciones normales y ante contingencia sencilla (n-1).
El objetivo mínimo de diseño consiste en evitar que los voltajes de los nodos de
carga se desvíen de sus límites aceptables.
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Criterios de diseño de la red de transmisión
Seguridad en condiciones transitorias posteriores a la contingencia sencilla (n-1).
El objetivo mínimo de diseño consiste en evitar cualesquiera de los eventos
siguientes:
•Pérdida de sincronismo de las unidades generadoras.
•Sobrecarga en los elementos de transmisión.
•Disparo de carga por baja frecuencia.
•Violación de los límites de voltaje en los nodos de la red de transmisión.
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Criterios de diseño de la red de transmisión
Tipos de falla.
•Monofásica.
Maniobras asociadas a la falla.
• El tiempo de libramiento para falla monofásica en estudios de estabilidad
transitoria se considera de seis ciclos, incluyendo el tiempo de respuesta
del equipo de protección y el tiempo de operación de los interruptores.
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Estabilidad de la frecuencia
• El control de frecuencia ante contingencias exige una distribución de la
reserva de potencia activa en las diversas áreas del sistema interconectado.
Esto permite tener una mejor característica de regulación y disponer de
reserva en áreas eléctricas estratégicas, de acuerdo a la estructura del
sistema, para los casos de operación en islas eléctricas.
• Adicionalmente la concentración de reserva en ciertas áreas de control puede
dar lugar a la sobrecarga de enlaces de interconexión y la posible pérdida de
los mismos.
• La distribución del márgen de regulación involucra también un compromiso
entre seguridad y economía, ya que al asignar a las unidades mas eficientes
un márgen de regulación se incurre en un diferencial de costos de operación
importante.
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Estabilidad de la frecuencia
• Operativamente se ha implantado el criterio de soportar la pérdida de la
mayor generación o de una línea de interconexión sin tener operación de
relevadores de corte de carga por baja frecuencia.
• En el caso de esquemas de desconexión de carga por baja frecuencia, se
trata de diseñar y coordinar los cortes de carga necesarios para contrarrestar
la caída de la frecuencia.
• En el caso del sistema interconectado se incluyen al menos seis pasos de
corte con relevadores de estado sólido para efectuar una coordinación
apropiada y controlar las desviaciones máximas de la frecuencia.
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Criterios para compensación reactiva de la red de transmisión
• La compensación de la potencia reactiva y el control de voltaje en el sistema
interconectado son problemas que deben ser atendidos para garantizar una
adecuada calidad y seguridad del servicio suministrado. Definir una compensación adecuada de la potencia reactiva requiere de la consideración de los
aspectos siguientes:
• Comportamiento cíclico de la demanda.
• Necesidades de reactivos en la red de transmisión troncal, subtransmisión
y distribución.
• Variaciones de voltaje.
• Potencia de generación activa, reactiva y reserva necesaria.
• Factor de potencia.
• Definir los esquemas de compensación y período de estudio.
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CRITERIOS PARA DEFINIR LOS REQUERIMIENTOS DE
COMPENSANCIÓN REACTIVA (LOS RANGOS PERMITIDOS DE
VARIACIÓN DEL VOLTAJE)
TIPO DE
ESTUDIO
Corto Plazo
Planeación
CONDICIÓN
NODOS DE GENERACIÓN RED
TRONCAL
NODOS DE CARGA RED
TRONCAL
Normal
+5%,
-2%
±5%
Contingencia
+10%,
-5%
±10%
Normal
± 3%,
-2%
±5%
Contingencia
± 5%
±8%
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Criterios para compensación reactiva de la red de transmisión.
Los estudios técnicos correspondientes consideran condiciones de simulación
en estado estable y dinámico.
• En el problema de control de voltaje resulta de gran importancia la
distribución de reserva de potencia reactiva y siendo el problema de
voltaje de naturaleza local, resulta indispensable tener las fuentes de
reactivos cercanas eléctricamente de los puntos de desbalance. De
esta forma el criterio básico consiste en diseñar el sistema eléctrico con
áreas de influencia bien definidas y disponer bajo todas las condiciones
operativas de los recursos de reactivos necesarios para mantener el
perfil de voltaje.
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Criterios para compensación reactiva de la red de transmisión
Es un sistema longitudinal como es el caso del Sistema Interconectado Nacional,
la reserva de potencia reactiva a nivel de sistema no tiene ningún significado,
sino que ésta debe evaluarse de manera de tener un soporte de voltaje
dinámico que evite el colapso del sistema para desbalances críticos, producidos
por fallas, pérdida de generación, pérdida de compensadores estáticos de
VAR’s o bien cambios de configuración en las diferentes áreas del sistema.
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Controles suplementarios implementados en el sistema eléctrico.
Al ocurrir en el sistema interconectado contingencias múltiples, fuera del estándar
de seguridad, el sistema se operará en condiciones inseguras, con posibilidad de
perder su integridad o sufrir colapso total o parcial de algunas áreas.
Para la adecuada operación del sistema se tienen que anticipar estas situaciones
mediante el análisis, sintonización o propuesta de medidas y controles de
emergencia. La idea central es evitar la desintegración total del sistema y
mantener al menos la operación parcial del mismo.
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Controles Suplementarios implementados en el sistema eléctrico
Es muy importante considerar la estructura eléctrica del sistema y la localización
de los centros de generación y control de voltaje así como las áreas de carga
principales. En los últimos años se han implantado diversos tipos de controles
suplementarios en el sistema interconectado, tendientes a mejorar la utilización de
recursos disponibles y a establecer líneas de defensa del sistema ante contingencias,
tales como:
•
•
•
•
•
•
•
Corte de carga por baja frecuencia.
Disparo automático de generación.
Separación controlada del sistema.
Disparo automático de carga.
Disparo de líneas.
Corte de carga por relevadores de voltaje.
Disparo y recierre monopolar.
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Controles suplementarios implementados en el sistema eléctrico
El disparo automático de generación se ha implementado en varias centrales
para efectuar el disparo de unidades, cuando existe el riesgo de pérdida de
sincronismo de varias unidades del sistema, al ocurrir una falla en la red de
transmisión. En este caso se opta por perder una o varias unidades, a elección
del operador del sistema, de acuerdo a la condición operativa, para mantener
la integridad del sistema.
Esta medida de emergencia se ha utilizado para incrementar los límites de operación en enlaces que unen centros de generación importantes, económicos o
indispensables con áreas de consumo importantes.
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Controles suplementarios implementados en el sistema eléctrico
El disparo automático de carga se ha implantado como una medida para
el control de flujos de potencia en interconexiones débiles. Debido a la
estructura característica del sistema interconectado, al ocurrir disturbios estos
se transmiten a las diferentes áreas a través de sus enlaces de interconexión,
en algunos casos estos enlaces son débiles y su sobrecarga puede producir
la pérdida del enlace y la complicación del problema.
El disparo de carga se ha utilizado como un medio para controlar el flujo
por el enlace mediante la desconexión de carga en lugares seleccionados.
El ajuste de este control requiere evaluar diversas condiciones de operación
que permitan observar su funcionamiento bajo diferentes escenarios.
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Controles suplementarios implementados en el sistema eléctrico
La separación controlada del sistema es otra medida de emergencia que puede
ser muy útil en sistemas longitudinales, en el sistema interconectado han
tenido una aplicación muy reducida. Desde el punto de vista estratégico, los
algoritmos de segregación requieren una lógica sofisticada para determinar
los puntos adecuados para la segregación de áreas y al mismo tiempo permitir
y dejar la posibilidad de agotar la ayuda de emergencia entre áreas. En síntesis
es una medida de emergencia que debe aún ser analizada.
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Controles suplementarios implementados en el sistema eléctrico
En forma estricta, el disparo y recierre monopolar no es una medida de
emergencia, pero la falla del esquema si puede dar lugar a una operación
en estado de emergencia, especialmente si se adoptan políticas de operación
rígidas basadas en la operación exitosa del esquema. El disparo y recierre
monopolar se ha implantado en varias líneas de transmisión del sistema
interconectado.
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Controles suplementarios implementados en el sistema eléctrico
Finalmente, se considera conveniente, que muchas de las medidas de emergencia
se eliminen mediante una planeación más detallada que cubra los aspectos
básicos de control de frecuencia y voltaje en el sistema interconectado, dejando
exclusivamente como medidas de emergencia, aquellas que sean producto de
contingencias críticas múltiples o bien cuando las inversiones requeridas no se
justifiquen económicamente.
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