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Anlisis de la Norma Tcnica de Calidad de los Servicios Elctricos

11. PROPUESTAS METODOLOGICAS PARA ASIGNACION DE RESPONSABILIDADES ECONOMICAS

11.1 Introduccin

Desde la perspectiva del COES, es importante sealar que durante la explotacin (operacin y mantenimiento) del Sistema Interconectado Centro Norte (SICN), los generadores pueden tener Clientes o Usuarios Finales que se caracterizan por ser cargas o consumos que originan perturbaciones en el sistema - que estn conectados directamente a la red de transmisin va la Subestacin de bajada correspondiente (consumos correspondientes a grandes industrias especficas, p.ej. fundicin en base a hornos de arco, industrias con grandes convertidores estticos, etc) o indirectamente a travs del suministro a las empresas de Distribucin, donde existen similares industrias que estn abastecidas desde la red de distribucin de Media Tensin (red primaria).

Por otra parte, las instalaciones correspondientes al segmento de la Transmisin del SICN tiene equipos o componentes que pueden causar perturbaciones en el sistema elctrico. A mediano o largo plazo no se ha considerado la operacin de equipos perturbadores adicionales tales como FACTS (Flexible AC Transmission Systems) o de enlaces en Corriente Continua (HVDC Links), las cuales representan a potenciales fuentes perturbadoras al sistema elctrico. Aun en el caso en que la Transmisin carezca de fuentes perturbadoras pueden darse ciertas condiciones topolgicas de la red de transmisin (operando en estado normal o de emergencia) o cuando se conecten/desconecten bancos de condensadores o reactores, para los cuales se active una resonancia armnica.

La generacin convencional (trmica e hidrulica) existente en la actualidad en el SICN no tiene participacin en la generacin de perturbaciones - distintas a las de frecuencia fundamental refirindose a aquellas asociadas tanto a magnitud de distorsin de la forma de onda de voltaje como a fluctuaciones cclicas (rango 0 a 30 Hz) de la magnitud de voltaje. La generacin no convencional se estima que tendr en el largo plazo un rol importante en los sistemas elctricos, sin embargo ella estar principalmente inserta en las redes asociadas a los sistemas de Distribucin y desde el punto de vista de perturbaciones causadas a la red, no es pasiva como la generacin tradicional, ya que varias de las nuevas tecnologas de generacin estn basadas en sistemas que ocupan convertidores estticos con sus filtros elctricos asociados pero que no estn completamente excentos de originar perturbaciones del tipo de distorsin armnica a la red.

En sntesis, los segmentos de Generacin y Transmisin del SICN (al igual que muchos otros sistemas elctricos de diversos pases de Latinoamrica) se caracterizan en la actualidad por tener un nmero reducido de consumos o cargas perturbadoras, fcilmente identificables desde un punto de vista fsico y comercial o contractual. Esta situacin puede ir cambiando gradualmente en el mediano y largo plazo.

Por lo tanto, es a travs de la va de suministro elctrico a las empresas de Distribucin (tambin por ciertos Clientes de los Generadores), desde donde se producen las mayores perturbaciones al sistema de Generacin-Transmisin, especialmente en lo que se refiere a Niveles de Distorsin Armnica y en menor medida en lo que respecta a Flicker (debido a la significativa atenuacin que se produce al pasar desde Media Tensin a Alta Tensin).

En este contexto global sealado, tanto los contratos entre los Generadores y las empresas de Distribucin como los contratos directos entre Generadores y Clientes conllevan o importan una responsabilidad entre los Generadores en lo que respecta a repartir entre ellos esta capacidad o bien finito que disponen para perturbar o afectar los lmites establecidos por la Autoridad en los segmentos de Generacin-Transmisin, donde ellos mismos operan. Para ilustrar este concepto de responsabilidad, en un conjunto de por ejemplo 10 empresas Generadoras, se puede sealar que si existe un Generador cuya cartera de Clientes incluye el 60 % de las cargas o consumos perturbadores del SICN, entonces este Generador tiene una mayor responsabilidad que los nueve Generadores restantes en el uso del bien finito (p.ej. lmite de distorsin total armnica), de manera que cuando se alcance una situacin en que el Sistema Interconectado no disponga de holgura para repartir ese bien finito, por haberse excedido su lmite, entonces deber procederse a realizar las correcciones tcnicas pertinentes, con las participaciones de financiamiento de las soluciones tcnicas-econmicas en concordancia con la responsabilidad del Generador en el uso del bien, a fin de lograr una operacin del Sistema Interconectado dentro de los lmites establecidos por la Autoridad.

En el contexto de lo descrito en esta seccin, el Consultor entiende que se debe proponer una metodologa para la asignacin de responsabilidades econmicas entre los integrantes del COES-SICN segn seala el numeral 3.5 de la NTCSE que se transcribe textualmente a continuacin:

3.5 En caso de transferencias de energa, en condiciones de mala calidad, desde un Comit de Operacin Econmica del Sistema (COES) o entre integrantes de un COES, este Comit est obligado a investigar e identificar a los miembros responsables por el incumplimiento con la calidad de producto y suministro y de garantizar las retribuciones respectivas a los Suministradores afectados para resarcirlos de las compensaciones pagadas a sus Clientes por faltas ajenas. Tratndose de casos en los que es difcil o imposible identificar a los responsables, todos los miembros del COES asumen la responsabilidad solidariamente, a excepcin de aquellos cuya intervencin en la deficiencia sea manifiestamente imposible.

11.2 Marco conceptual de las perturbaciones a la operacin normal en los segmentos de Generacin (G) y Transmisin (T)

Las perturbaciones a la condicin de operacin normal de los sistemas elctricos que se aborda en esta seccin del Informe, corresponden a:

Los niveles o magnitud de distorsin armnica, expresada normalmente por la magnitud de sus componentes armnicas individuales y el ndice de distorsin total armnico y

Flicker, expresado normalmente por sus ndices de severidad de corto plazo (Pst, 10 minutos) y de largo plazo (Plt, 2 horas).

Magnitudes de Tensin en los segmentos de Generacin y Transmisin, expresada normalmente por el parmetro regulacin de tensin en rgimen de operacin normal y por la disponibilidad de entregar o absorber potencia reactiva dinmica, todo lo cual est directamente relacionado con el control tradicional de la potencia reactiva Q (Control Q-V en Generacin y Transmisin)

Interrupciones originadas en los segmentos de Generacin y Transmisin

Los Usuarios Finales del producto electricidad, conectados a las redes de AT, MT o BT, son los principales responsables de los niveles de distorsin armnica existentes en cualquier barra de la red. Es pertinente sealar que como resultado del desarrollo y aplicacin masiva de la electrnica de potencia (convertidores estticos principalmente), en los ms diversos procesos productivos, comerciales y en el hogar, se puede afirmar que son numerosas y variadas las fuentes productoras de distorsin armnica existentes en la actualidad, siendo lo ms grave desde un punto de vista de contaminacin armnica de las redes, su tendencia de aumento sostenido en el uso de ellas en todo mbito de aplicaciones. Por ejemplo, Electricit de France ha demostrado cmo las inyecciones de corrientes armnicas producidas por los televisores son capaces de propagarse a travs de los diversos niveles de voltaje y afectar la red de transmisin de 400 kV y los generadores.

El fenmeno de Flicker o parpadeo tambin definido como fluctuacin cclica (de baja frecuencia) de la magnitud de voltaje normalmente se propaga hacia los niveles de voltaje menores que aqul en el cual se produce el fenmeno propiamente tal y se atena significativamente hacia los niveles superiores de voltaje. En Alta Tensin, los procesos de fundicin de metales en base a hornos de arco del tipo CA y CC son los principales equipos productores de Flicker. En Media y Baja Tensin existen una amplia variedad de procesos industriales que involucran cambios significativos y repetitivos de la magnitud del consumo (potencia activa P, potencia reactiva Q, o una combinacin de P y Q) que dan lugar al Flicker o parpadeo, que se cuantifica tanto para AT, MT y BT a travs de los ndices Pst -10 minutos y Plt - 2horas.

La consigna de magnitud de voltaje o voltaje de referencia establecida para el regulador de tensin de cada unidad generadora permite mantener la magnitud de voltaje en bornes del generador ante cambios normales y esperados de la Demanda del sistema. En la fijacin de estas consignas se debe tener presente las disponibilidades de regulacin de tensin (cambiadores de taps de transformadores, conexin/desconexin de compensacin reactiva tipo shunt) de los segmentos de G y T, de manera que se evite vulnerar el objetivo de mantener las reservas de reactivos dinmicos provistas por los Generadores (en una cuanta suficiente para enfrentar las diversas contingencias que experimenta el sistema interconectado), ya que es la nica reserva de reactivos dinmicos (valga la redundancia) que adems es la ms barata que dispone el sistema elctrico.

La falta de reactivos dinmicos en los segmentos de G y T debido a un mal uso de los reactivos provistos por los Generadores slo se soluciona recurriendo a la instalacin de equipos tipo SVC, los cuales son muy caros para los niveles de voltaje de la transmisin. Lo anterior implica que los despachos de generacin, para las diversas condiciones de Demanda (Mxima Media y Mnima) y de hidrologas (Hmeda, Intermedia y Seca) deben contemplar el aspecto de seguridad y estabilidad de voltaje del sistema, reflejado en su disponibilidad de entregar (la mayora de las veces) o absorber reactivos dinmicos, los cuales son requeridos prcticamente en todos los eventos o contingencias tpicas que experimenta un sistema de G y T. Una evaluacin del dficit de soporte de reactivos, as como una evaluacin de la estabilidad de voltaje del sistema de G y T, para diversas condiciones de operacin (Demandas y Despachos de Generacin) del sistema elctrico puede identificarse y cuantificarse a travs de mtodos estticos basados e implementados en programas de Flujos de Potencia.

Las interrupciones de suministro que sufren los Usuarios Finales pueden tener su origen en los segmentos de G y T. Se comenta que las interrupciones en el segmento de Distribucin tanto en Media Tensin (red primaria) como en Baja Tensin (red secundaria) son por su naturaleza misma (estructura radial versus la estructura ms enmallada de los segmentos de G y T) y otras razones que no es del caso detallar, ms numerosas y frecuentes a medida que se reduce el nivel de voltaje.

En el caso de los segmentos de G y T las interrupciones de suministro que afectan a todo el sistema elctrico se pueden presentar cuando: i) se tiene una perturbacin o contingencia que resulta equivalente al criterio de seguridad (n-2), por ejemplo: desconexin imprevista de dos unidades generadoras, desconexin imprevista de dos circuitos, desconexin imprevista de un transformador que afecta a dos unidades generadoras, etc, etc., cuando el sistema elctrico ha sido diseado con el criterio (n-1), tal como ocurre en la mayora de los pases Latinoamricanos, ii) para una cierta condicin de operacin del sistema elctrico (nivel de Demanda, Despacho de Generacin) se produce una falla que es despejada en forma tarda por las protecciones y el sistema elctrico como un todo pierde sus sincronismo (prdida de estabilidad), iii) el sistema elctrico de G y T es dbil en soporte de reactivos para una condicin de demanda mxima o incluso una condicin de demanda mnima pero con un despacho de generacin muy limitado en lo que respecta a soporte de reactivos dinmicos y el sistema puede estar expuesto a inestabilidades de voltaje, iv) desconexin de una lnea de un doble circuito produciendo una sobrecarga en la lnea restante por un tiempo superior al permitido y que lleva a la prdida del segundo circuito, v) Cortocircuitos en la red de transmisin que producen cadas de voltaje (en el rango de 10% al 90 % del voltaje nominal) en la red de Media Tensin de Distribucin y que por su significativa magnitud muchos equipos (especialmente los modernos), mquinas elctricas, dispositivos elctricos las interpretan como una interrupcin vi)otras

En resumen, los segmentos de G y T estn en mayor o menor grado expuestos o afectados al impacto de las perturbaciones antes sealadas, dependiendo por una parte del grado de industrializacin (directamente relacionado con el nmero y magnitud de los consumos o cargas perturbadoras) del pas y de la robustez u holgura tcnica del sistema elctrico y por otra parte de los mrgenes de las regulaciones o reglamentos del sector elctrico, especficamente con respecto a los lmites que impone la Autoridad a las magnitudes de las perturbaciones que afectan al sistema elctrico.

11.3 Proposiciones de metodologas para la asignacin de responsabilidades econmicas entre los integrantes del COES-SICN segn numeral 3.5 de la NTCSE

11.3.1 Introduccin

Existe una premisa general con respecto al anlisis de los sistemas elctricos de potencia, para estudios de frecuencia fundamental, tanto en estado estacionario (rgimen permanente) como en estado de rgimen transitorio y que establece la unicidad del comportamiento de las variables elctricas de cada sistema elctrico. En otras palabras, cada sistema elctrico es nico en cuanto a topologa, condiciones de diseo, condiciones de operacin, robustez o estabilidad esttica y dinmica. Lo anterior implica que en muchos anlisis o estudios se deba modelar casi al detalle las caractersticas de sus principales componentes, para lograr con los modelos matemticos una estimacin ms cercana al comportamiento real del sistema elctrico. Esta premisa vlida para el mundo de frecuencia fundamental con mayor razn es vlida para el mundo o rango de frecuencias intermedias, es decir (0, 3000) Hz.

Sin embargo, la experiencia que aportan las mediciones del sistema elctrico y los objetivos trazados en los estudios a desarrollar, permiten realizar simplificaciones que muchas veces evitan realizar un proceso de simulacin detallada del sistema elctrico.

En el caso particular de los segmentos de G y T, las experiencias publicadas de mediciones simultneas en varios nudos de la red para perturbaciones tales como Nivel de Distorsin Armnica y Flicker son muy escasas y se limitan a nivel internacional principalmente a lo realizado por Electricit de France y Enel (Italia) junto con algunos laboratorios de mediciones Europeos, tales como Kema (Holanda) y Laborelec (Belgica). En relacin a las perturbaciones correspondientes a las variaciones de la magnitud de voltaje (de frecuencia fundamental) de las barras o nudos de los segmentos de G y T, la experiencia de mediciones y resultados de aplicar modelos es mucho ms amplia y establecida. Similar experiencia se dispone con modelos de frecuencia fundamental para evaluar el impacto de rgimen transitorio y permanente de desconexiones de generadores y lneas de transmisin o combinaciones de los componentes mencionados.

Finalmente, cabe mencionar que la aplicacin de mtodos aproximados para analizar un problema tcnico especfico exige que dicha metodologa sea coherente, es decir que su sensibilidad ante diversos cambios de parmetros arroje resultados coherentes para las variables de inters y dentro de rangos razonables. Especial connotacin adquiere lo anterior, si al problema tcnico especfico se le agrega una valoracin econmica de algunas de sus variables, con lo cual adems debe ser una metodologa directa y simple de evaluar en trminos econmicos.

En la NTCSE se identifican cuatro parmetros a controlar en los segmentos de G y T, los cuales deben estar dentro de ciertos lmites establecidos por la Autoridad. Como procedimiento o algoritmo general se propone:

i) Evaluar en cada nudo de transaccin o de carga de la red de G y T los cuatro parmetros a controlar, segn la metodologa propuesta en la secciones siguientes, determinar los excedentes u holguras de cada parmetro y los cambios de magnitud requeridos en cada parmetro

ii) Si todos los parmetros estn dentro de los lmites establecidos por la Autoridad, basta con realizar un ranking u ordenamiento de nudos crticos (aquellos con holgura reducida) y se termina el proceso de evaluacin de los parmetros,

iii) En caso que no se cumpla el paso ii para uno cualquiera de los parmetros, entonces para cada parmetro excedido de los lmites, determinar la contribucin, tanto de cada Generador como de la Red de Transmisin de acuerdo a un conjunto convenido a priori de cambios topolgicos y

iv) Para los contribuyentes identificados en el punto anterior, realizar un prorrateo de los cambios de magnitud requeridos en base los criterios tcnicos propuestos por el Consultor ms adelante,

v) Repetir paso i)

11.3.2 Proposicin para tratar las perturbaciones de Flicker

11.3.2.1 Introduccin

Se propone una metodologa para el clculo de Pst totales, es decir el ndice de severidad de Flicker en una barra cualquiera, teniendo en cuenta las cargas no lineales que estn conectadas en el sistema. Cada actor de los segmentos de Generacin y Transmisin est representado por las barras donde estn conectados sus componentes elctricos y/o por aquellas barras donde se haya establecido un contrato con un cliente no regulado.

Se analiza de forma especfica, los Pst globales para las barras de generacin ante la participacin simultnea de todas las cargas no lineales, con el objeto de realizar una evaluacin cuantitativa de las responsabilidades econmicas individuales de los actores del segmento de Generacin y Transmisin, cuando se producen violaciones de los lmites permitidos de Flicker de acuerdo a lo establecido en la NTCSE.

11.3.2.2 Desarrollo de la proposicin

La norma IEC ha desarrollado dos medidas de severidad de Flicker identificadas como ndice de severidad de corto plazo Pst (10 minutos) y de largo plazo Plt (2 horas). Los valores indicativos de compatibilidad tanto en Baja como en Media y Alta Tensin se muestran en la Tabla No.11.1.

Tabla No. 11.1 Niveles limites establecidos por la norma IEC-868

LVMVHV

Pst110.8

Plt0.80.80.6

Es un hecho conocido que la estimacin de los niveles de Flicker debido a la operacin de cargas no lineales, principalmente Hornos de Arco de Corriente Alterna o de Corriente Contnua y otras cargas no lineales, depende directamente de los niveles de cortocircuito de la red o sistema y de la magnitud de la carga no-lineal (referida al punto comn de acoplamiento) tal como se indica a continuacin, para el caso de determinar los niveles de Flicker en dos barras A y B:

donde

Pst, A :ndice de severidad de Flicker de corto plazo en la barra A, que tiene una probabilidad del 1% de ser excedido (percentil 99 %, tambin se puede utilizar el percentil 95 %),

SccB :nivel de cortocircuito de la barra donde se ubica la carga no lineal, referido al punto comun de acoplamiento

SccA :nivel de cortocircuito de la red en la barra o punto comun de acoplamiento

PstB:ndice de severidad de Flicker de corto plazo en la barra B, inyectado por la carga no lineal

El clculo del efecto de Flicker debido a la existencia de cargas no lineales en el sistema COES-SINC, se realiz a partir de la estimacin de una matriz de incidencia que relaciona los niveles de cortocircuito (expresados en MVA) para las barras del SICN (eventualmente todas las barras o un subconjunto de ellas), permitiendo la estimacin de los Psti en todos los nodos.

Se ha considerado de inters metodolgico efectuar un desarrollo completo para todas las barras del SICN, lo cual no implica que todas las barras estn aptas para conectar cargas no-lineales, especialmente tratndose del SICN que dispone de muy pocas barras robustas (con niveles de cortocircuito que permiten la conexin de cargas no-lineales importantes).

La matriz de incidencia se ha organizado de tal modo que las barras se muestran de mayor a menor tensin y adems clasificadas descendentemente segn sus MVA de cortocircuito. La lectura de la matriz de incidencia debe realizarse por columnas, identificando el nodo donde se desea conectar la carga no lineal. El efecto de Flicker se determina independientemente, en cada una de las barras que se localizan, en este caso, como filas en la matriz. Esto significa que el efecto de Flicker de la carga no lineal es nico.

Por ejemplo, en el Anexo 5 se muestra la matriz de incidencia. Para analizar el efecto de Flicker de una carga no lineal en la barra REFZN220 (Cajamarquilla), basta con observar la columna respectiva para determinar el efecto en las dems barras ante una accin independiente de la carga no lineal; esto implica que el efecto Flicker no se puede observar de forma simultnea sino individual. Asi, el efecto de un PstB de 1.0 p.u en REFZN220 determina un efecto de flicker de PstA = 0.737 en CHAV220, resultado que es coherente si se advierte que la barra mas fuerte del sistema es precisamente esta ltima. A medida que las barras disminuyen su MVA de cortocircuito y tambin su tensin, necesariamente la incidencia o penetracin del ndice de severidad de Flicker de corto plazo aumenta (PstA >1). En las barras donde los MVA de cortocircuito son muy pequeos y adems el nivel de tensin es menor, entonces, el valor referido de PstA resulta bastante grande. Por este motivo, es inaceptable que un sistema elctrico tenga valores grandes del ndice Pst en sus barras ms robustas, ya que el impacto en las barras menos robustas hace la operacin de estas ltimas imposible dentro de los estndares de calidad de servicio de cualquier normativa.

El anlisis de la matriz permite entonces convalidar los resultados empricos que demuestran que fuentes de flicker inyectadas en barras cuyos niveles de tensin son altos y con una gran capacidad de cortocircuito, permiten con mayor facilidad la propagacin del fenmeno hacia barras menos robustas y de menor tensin. Por el contrario, fuentes de flicker conectadas en barras de Media o Baja Tensin, normalmente de potencia de cortocircuito reducida, tienen un efecto mnimo de contribucin al ndice Pst en barras de mayor tensin (PstA