Maestría en Electricidad con mención en Sistemas de Transmisión y Distribución Eléctrica. Ph.D. Alexander Aguila Téllez Calidad y Confiabilidad del Sistemas Eléctrico. Formación Profesional Avanzada. Alexander Aguila Téllez Contenidos de la materia: Unidad 1: Calidad del servicio y de la energía eléctrica. Regulaciones y normas que rigen la calidad de la potencia. Análisis de las variables que intervienen en la calidad de la potencia y métodos de corrección de las mismas. Unidad 2: Fenómenos perturbadores en el SEP. Análisis de la calidad de la potencia eléctrica en redes eléctricas con recursos distribuidos. Mitigación de los efectos de las fallas y perturbaciones. Desviación de las variables de calidad ante desequilibrios entre generación y demanda. Unidad 3: Teoría de la probabilidad y aplicaciones a los sistemas eléctricos de potencia. Análisis de Confiabilidad mediante técnicas estadísticas. Estadística descriptiva. Probabilidad. Distribución de probabilidad. Estadística inferencial. Probabilidad de operación de subsistemas eléctricos. Unidad 4: Análisis de confiabilidad en el SEP y cálculo de indicadores. Métodos matemáticos avanzados para la evaluación de la probabilidad. Método de Markov. Método de Monte Carlo. Indicadores de confiabilidad en sistemas eléctricos de potencia. Evaluación de la confiabilidad en generación, transmisión y distribución de energía eléctrica. Alexander Aguila Téllez UNIDADES TEMÁTICAS Unidad 1 Calidad del servicio y de la energía eléctrica. Unidad 2 Fenómenos perturbadores en el SEP. Unidad 3 Teoría de la probabilidad y aplicaciones a los sistemas eléctricos de potencia. Unidad 4 Análisis de confiabilidad en el SEP y cálculo de indicadores. CONTENIDOS DE LA UNIDAD 1.1 Introducción a los conceptos de calidad de la potencia eléctrica. 1.2 Regulaciones y normas que rigen la calidad de la potencia. 1.3 Perfiles de voltaje. 1.4 Factor de potencia. 1.5 Desequilibrio de voltaje y corriente. 1.6 Índice de distorsión armónica. 1.7 Características de las redes con recursos distribuidos y sus efectos sobre la calidad. 2.1 Análisis de casos, determinación y evaluación de los fenómenos perturbadores de calidad. 2.2 Mitigación de fenómenos de calidad. 2.3 Equipos de medición de fenómenos perturbadores y sus características. 3.1 Estadística. 3.2 Estadística descriptiva. 3.3 Probabilidad. 3.4 Distribución de probabilidad. 3.5 Estadística inferencial. 3.6 Probabilidad de operación de subsistemas eléctricos. 4.1 Conceptos básicos de confiabilidad 4.2 Confiabilidad de componentes y sistemas 4.3 Método de Markov. 4.4 Método de Monte Carlo. 4.5 Determinación de reserva en sistemas de generación. 4.6 Confiabilidad y reserva en sistemas de generación y transmisión. 4.7 Confiabilidad de sistemas de distribución. 4.8 Normativas nacionales e internacionales de la confiabilidad de servicio eléctrico. Alexander Aguila Téllez Bibliografía y Textos Guías Alexander Aguila Téllez Método de evaluación: Capítulo 1: Trabajo de Investigación (Vigilancia Tecnológica: Calidad) – 15 % Capítulo 2: Taller 1 (Casos de calidad) – 15 % Capítulo 3: Taller 2 (Resolución de problemas con técnicas de probabilidad) – 15 % Prueba parcial (probabilidad) – 22 % Capítulo 4: Taller 3 (Markov y Monte Carlo, indicadores de confiabilidad en SEP) – 15 % Reactivos: Cuestionarios teóricos de 5 preguntas (uno al final de cada una de las 9 clases) – 18 % Aprendizaje Colaborativo (30 Puntos) Taller 2 Taller 3 Prueba Confiabilidad Confiabilidad Confiabilidad (15 puntos) (15 puntos) (22 puntos) Prácticas y Experimentación (40 puntos) Reactivo 1 Calidad (2 puntos) Aprendizaje Autónomo (30 Puntos) Reactivo 2 Reactivo 3 Reactivo 4 Reactivo 5 Reactivo 6 Reactivo 7 Reactivo 8 Reactivo 9 Investigación Taller 1 Calidad Confiabilidad Confiabilidad Confiabilidad Confiabilidad Confiabilidad Confiabilidad Confiabilidad Calidad Calidad (2 puntos) (2 puntos) (2 puntos) (2 puntos) (2 puntos) (2 puntos) (2 puntos) (2 puntos) (15 puntos) (15 puntos) Alexander Aguila Téllez Motivación Desarrollo de la Ingeniería Eléctrica (Generación y procesos) En sus inicios, antes de la revolución industrial Situación actual (Smart Grids) Procesos no automatizados. Generación convencional. Automatización de procesos / Control automático Desarrollo de la Electrónica de Potencia. Alexander Aguila Téllez Procesos automatizados. Generación distribuida. Almacenamiento de energía. Big Data. Comunicaciones Inalámbricas. Gestión inteligente del usuario. Introducción a los conceptos de calidad de la energía eléctrica. Regulaciones y normas que rigen la calidad de la potencia. El transporte de la potencia eléctrica y el consumo de esta por los usuarios finales debe cumplir con normas de calidad, confiabilidad, seguridad, estabilidad y eficiencia, normas que establecen los límites permisibles de operación del sistema eléctrico de potencia en sus distintos niveles de voltaje. “Calidad de Energía es un conjunto de límites eléctricos que permite que un equipo o sistema eléctrico funcione de la manera que está prevista sin que sufra una pérdida significativa de rendimiento o de vida útil” Alexander Aguila Téllez Tipos de perturbaciones que afectan la calidad de energía La perturbación es cualquier manifestación en el voltaje, corriente o frecuencia que resulta en la operación defectuosa de cualquier parte del sistema. Partiendo de esta definición se listan las siguientes perturbaciones de voltaje: Transitorios. Variaciones de corta duración. Variaciones de larga duración. Desbalance. Distorsión de la forma de onda. Fluctuaciones en estado estable. Variaciones de frecuencia. Alexander Aguila Téllez Terminología común en Calidad de la Potencia Eléctrica Factor de Cresta: Relación entre el valor pico y el valor de la raíz media cuadrática (rms) de una forma de onda periódica. El factor de cresta típico de corrientes absorbidas por cargas no lineales es mayor que 1,414 llegando hasta 5 en casos críticos. Estas sobre corrientes pueden provocar desconexiones no deseadas. Distorsión: Término cualitativo que indica la desviación que tiene una forma onda periódica de sus característica ideales. La distorsión introduce una forma de onda deformada. Factor de distorsión: Relación del valor rms de un contenido armónico de una forma de onda periódica para el valor rms de la forma de onda fundamental, expresado como porcentaje. Este factor también es conocido como Distorsión Armónica Total o THD por sus siglas en inglés. Alexander Aguila Téllez Flicker: Variación del voltaje de suficiente duración como para permitir una apreciación visual de un cambio en la intensidad de las fuentes de luz eléctrica. Cuantitativamente el flicker puede ser expresado como un porcentaje del cambio en el valor del voltaje nominal. Factor de forma: Relación entre el valor rms y el valor promedio de una forma de onda periódica. Este factor es otro indicador de la desviación de una forma de onda periódica de sus características ideales. = 1,1 (para señal alterna senoidal) Armónico: Componente sinusoidal de una forma de onda periódica que tiene una frecuencia que es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental, en nuestro caso 60Hz. Distorsión armónica: Representación cuantitativa de la distorsión desde una forma de onda pura sinusoidal. Alexander Aguila Téllez Corriente de energización (Inrush): Magnitud elevada de corriente que una carga absorbe de la red al momento de iniciar su operación. Interrupción: Pérdida completa de la magnitud de voltaje o corriente por un lapso de tiempo. Cargas lineales: Cargas eléctricas que en estado estable de operación presentan esencialmente una impedancia constante respecto de la fuente de potencia a través de todo el ciclo del voltaje aplicado. Una carga puramente lineal tiene únicamente la componente fundamente de la corriente. Ruido: El ruido eléctrico es una señal no deseada que produce efectos indeseados en los circuitos de los sistemas de control en donde se presenta. Alexander Aguila Téllez Carga no lineal: Carga eléctrica que absorbe corrientes no sinusoidales o que su impedancia varía durante cada ciclo de la forma de onda del voltaje de alimentación. Factor de potencia (de desplazamiento): Relación entre la potencia activa (W) de la onda fundamental para la potencia aparente (VA) de la onda fundamental. Para una forma de onda sinusoidal pura, solamente la componente fundamental existe, por lo tanto el factor de potencia es el coseno del desplazamiento angular entre las formas de onda del voltaje y de la corriente. Factor de potencia (total): Es la relación de la potencia activa total (W) para la potencia total aparente (VA) de la onda compuesta, esto incluye todas las componentes de frecuencia armónica. Debido a los componentes de frecuencia armónica, el factor de potencia total suele ser menor que el factor de potencia de desplazamiento, ya que la presencia de armónicos tiende a incrementar el desplazamiento angular entre las formas de onda de voltaje y corriente. Alexander Aguila Téllez Sag: Reducción del valor rms del voltaje con duración comprendida entre medio ciclo hasta unos pocos segundos. Surge: Transitorio eléctrico caracterizado por un intenso y rápido incremento del valor de voltaje o corriente. Swell: Incremento del valor rms del voltaje con duración comprendida entre medio ciclo hasta unos pocos segundos. Alexander Aguila Téllez Transitorio: Disturbio de la forma de onda de corriente alterna, caracterizada por una intensa o breve discontinuidad, la cual puede ser de cualquier polaridad. Los transitorios ocurren cuando existe un súbito cambio en el voltaje o corriente de un sistema, son eventos de corta duración determinados en gran medida por la resistencia, inductancia y capacitancia equivalentes en el punto de análisis. Los parámetros característicos son la amplitud, el tiempo de subida, el tiempo de decaimiento y la frecuencia de oscilación. Variaciones de frecuencia: Para caracterizar la frecuencia nominal de un sistema, se utilizan índices de desviación de frecuencia con respecto a su valor nominal. Para calcularlos, la medición de frecuencia se debe realizar cada 10 segundos. Aunque la variación de frecuencia está relacionada directamente con la velocidad de rotación de los generadores del sistema eléctrico, su efecto depende de la carga conectada. Cualquier cambio que supere los límites provocará daños indeseables como la pérdida de sincronismo. Pero estos problemas no suelen ocurrir de manera seguida en los sistemas actuales, ya que todos los generadores de la red hacen que la inercia del sistema sea grande. Sin embargo, cuando un único generador alimenta a una carga, por ejemplo, en condiciones de emergencia de hospitales, los problemas de variación de frecuencia si deben tenerse en cuenta en los estudios eléctricos. Alexander Aguila Téllez Normas y Estándares de calidad para la energía eléctrica Alexander Aguila Téllez En nuestro país el organismo de Regulación y Control del sector eléctrico ha emitido al momento dos regulaciones vigentes que norman la calidad del servicio eléctrico. Regulación Nacional: CONELEC 004/01 y ARCONEL 05/18 • REGULACIÓN CONELEC 004/01, “Calidad del servicio eléctrico de distribución”, derogada en diciembre 2018. • REGULACIÓN ARCONEL 005/18, “Calidad del servicio de distribución y comercialización de energía eléctrica”, actualmente en vigencia desde enero 2019. Actualización (reforma): ARCONEL 022/19 Actualizada con (Resolución ARCONEL 053/18) Alexander Aguila Téllez Regulación Nacional: ARCONEL 05/18 La calidad del servicio eléctrico se encuentra en Ecuador regulada en 4 ámbitos diferentes: • • • • Calidad del producto. Calidad del servicio técnico. Calidad del servicio comercial. Calidad de responsabilidad del consumidor (nuevo) Alexander Aguila Téllez Regulación Nacional: ARCONEL 05/18 Calidad del Producto: la regulación establece obligatoriedad de monitoreo y control de los siguientes aspectos: • Nivel del voltaje. • Flicker. • Distorsión armónica de voltaje. • Desequilibrio de voltaje. Adicionalmente fija límites máximos y criterios para las labores de medición y monitoreo en puntos de la red de distribución. Alexander Aguila Téllez Regulación Nacional: ARCONEL 05/18 Calidad del servicio técnico: la regulación en este aspecto se centra en la confiabilidad del servicio estableciendo indicadores y límites para la frecuencia y duración de las interrupciones del servicio. • Frecuencia media de interrupción (FMIK). • Tiempo total de interrupción (TTIK). • Frecuencia de interrupciones por consumidor (FICc), clientes en MT y AT. • Duración de interrupciones por consumidor (DICc), clientes en MT y AT. Alexander Aguila Téllez Regulación Nacional: ARCONEL 05/18 Calidad del servicio comercial: la regulación se centra en los siguientes aspectos: • Porcentaje de atención a nuevos suministros. • Porcentaje de errores de facturación. • Tiempo promedio de atención a reclamos. • Porcentaje de resolución de reclamos. • Porcentaje de reconexiones de servicio. • Porcentaje de respuesta a consultas. • Satisfacción de consumidores. Alexander Aguila Téllez Regulación Nacional: ARCONEL 05/18 Calidad de responsabilidad del consumidor: Este aspecto es nuevo con respecto a la regulación anterior, y básicamente establece el control a los niveles de distorsión armónica de corriente, fijando límites y criterios para la medición y monitoreo a los usuarios. Alexander Aguila Téllez • Existen una serie de aspectos que hay que tomar en cuenta para regular la calidad del servicio. Los distintos agentes (los clientes, las compañías eléctricas y el regulador) que intervienen, cada cual con su responsabilidad e intereses particulares. • El costo asociado a la calidad del servicio: por un lado está el costo de inversiones y operación de obtener un determinado nivel de calidad y por otro lado está el costo que le supone a los clientes la falta de calidad. • También la calidad debe medirse de forma fiable y objetiva mediante índices. La regulación que se diseñe debe implantar mecanismos que lleven la calidad desde el nivel existente, hasta el nivel objetivo que se determine. Alexander Aguila Téllez • Es importante el hecho de que la regulación de la calidad debe integrarse en el marco remuneratorio existente de las compañías eléctricas: no se debe olvidar que la calidad del servicio es una parte del costo del suministro de electricidad. Por último, está la cuestión de cómo se traspasan y se distribuyen los costos de mejora de calidad en la tarifa. En los mecanismos de asignación de costos tradicionales, la tarifa de cada usuario no refleja directamente los costos que supone distribuirle. Alexander Aguila Téllez AGENTES DEL SISTEMA • Los distintos agentes del sistema tendrán cada uno sus intereses particulares. A continuación se plantea el punto de vista de cada uno sobre la calidad del servicio. • Cliente: El punto de vista del cliente es muy sencillo: quiere que le suministren la energía eléctrica en unas condiciones óptimas y a un precio razonable. No distingue entre fallas debidas a la generación, transporte, internas o externas a la compañía, etc. Sólo le interesa el producto eléctrico que paga, así como tener un interlocutor, el suministrador, al que poder recurrir cuando tenga algún problema. • Como en realidad el cliente no puede elegir quién le va a suministrar, también querrá tener un vía de reclamación alternativa para cuando no haya sido posible resolver el problema Alexander Aguila Téllez AGENTES DEL SISTEMA • Distribuidora: La actividad de distribución está orientada a la prestación de un servicio y el suministro de un producto a los clientes. Desde su punto de vista empresarial, le interesa que haya el menor número de intervenciones externas posibles en su relación con los clientes. Las Distribuidoras intentarán que se reconozcan los costos de mejorar y mantener una determinada calidad (ya sea a través de incentivos específicos, o a través de un método global de remuneración de la distribución). • Si son las Distribuidoras las ultimas responsables de la calidad, deberá dárseles las atribuciones suficientes para controlar las fuentes de mala calidad. Alexander Aguila Téllez AGENTES DEL SISTEMA • Regulador: El objetivo del regulador es poner unas reglas que lleven al funcionamiento óptimo del Sector Eléctrico. Se entiende por funcionamiento óptimo el de mínimo costo para la sociedad en su conjunto. Lo ideal sería que una vez establecidas las reglas, no tuviese que intervenir. Su papel debe ser vigilar para que se cumplan las reglas del juego, y servir de árbitro en caso de conflicto. • El Regulador en su relación con las compañías eléctricas intentará que le proporcionen toda la información que le sea necesaria para su función de vigilancia, teniendo algún mecanismo de verificación de la información. En cuanto a los clientes, les informará de la calidad del sistema. Alexander Aguila Téllez COSTO DE LA CALIDAD DEL SERVICIO Y NIVEL ÓPTIMO DE CALIDAD • Para intentar maximizar el beneficio social neto obtenido del Sector Eléctrico, es necesario conocer el costo de suministrar el producto o servicio, y su función de utilidad para los receptores del mismo. En el caso de la calidad del servicio eléctrico, hay que determinar el costo para las Distribuidoras de suministrar electricidad con un determinado nivel de calidad, así como el costo para los clientes de ser suministrados con una determinada falta de calidad. • Se debe determinar el punto óptimo. Alexander Aguila Téllez Bibliografía • SANKARAN C., “Power Quality”, CRC Press, United States of America, 2002 • DUGAN R. / MCGRANAGHAN M. / SANTOSO S. / BEATY H.W.; “Electrical Power System Quality”, McGraw-Hill, 2004 • Consejo Nacional de Electricidad, Regulación CONELEC 004/01 “Calidad del Servicio de Distribución” • Agencia de Regulación y Control de Electricidad, Regulación ARCONEL 005/18 “Calidad del Servicio de Distribución y Comercialización” Alexander Aguila Téllez