Calidad y Confiabilidad Sistemas Eléctricos - Presentación

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