X I V E R I A C

* CORPOELEC – EDELCA, División de Planificación de Sistemas Eléctricos, Torre Las Mercedes, Piso 10, Av. La Estancia, Chuao, Caracas, 1064, Venezuela. Telf. 58-212-9502499, Email: Lvilla@edelca.com.ve

ANALISIS DEL COLAPSO DE VOLTAJE EN SISTEMA ELECTRICO VENEZOLANO

L. VILLA * A. BRITO CORPOELEC – EDELCA CORPOELEC – EDELCA

Venezuela Venezuela

Resumen – El presente artículo tiene como finalidad realizar un análisis de los puntos de colapso de

tensión de las áreas más relevantes del Sistema Eléctrico Venezolano (SEV), mediante el análisis de las curvas que relacionan la potencia activa en función de la tensión en una barra, también llamadas curvas P-V o Curvas de la Nariz. Dicho estudio fue motivado por los eventos ocurridos el día 03 de Agosto de 2009, en el cual se manifestó un efecto en cascada desde el occidente del país que trajo como consecuencia la pérdida aproximada del 50% del total de la demanda servida por el SEV. En una primera instancia, se procedió a sintonizar la herramienta de simulación (PSSE) con las condiciones del SEV previas a los eventos del tres de agosto. Luego, haciendo uso del software PSS/E V.29, se procedió a aplicar una rutina de programación, basada en la metodología de el Western System Coordinating Council, para elaborar las curvas P-V en estas condiciones operativas, obteniéndose como resultado principal que, según la metodología aplicada, efectivamente el SEV se encontraba en un punto de operación dentro del margen de riesgo dado por las curvas P-V, y por ende cualquier variación en la demanda o intercambios de potencia alrededor de este punto de operación pudo haber ocasionado el “Colapso” del tres de agosto.

Palabras clave: Colapso de Tensión – Estabilidad de Tensión – Curvas P-V – Margen de Riesgo –

Límites de Intercambio 1 INTRODUCCIÓN

El día 03 de Agosto de 2009 a las 13:50 horas ocurrió un evento en el Sistema Eléctrico Venezolano (SEV), en el cual se perdieron aproximadamente 7.500 MW de los 15.412 MW de la demanda que se estaban sirviendo en el SEV, sin que se consiguieran causas tales como fallas en el sistema de transmisión o de generación. De allí surge la hipótesis del “Colapso de Tensión”, fenómeno que puede manifestarse sin la existencia de una falla en el sistema de potencia, y traer como consecuencia pérdidas de grandes bloques de demanda, simplemente por la exigencia que se hace del mismo, lo que se evidencia en los excesos de los límites de transmisión de los intercambios Exportación EDELCA e Importación Centro y el tiempo que duran estos excesos en la operación diaria del SEV. Para el momento del evento, estos intercambios se encontraban excedidos en más de 1.100 MW cada uno respectivamente.

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2 CONSIDERACIONES PARA EL ESTUDIO

El Sistema Eléctrico Venezolano (SEV) depende actualmente en un 70% de la energía eléctrica proveniente del sur-oriente del país, mediante los complejos hidroeléctricos Guri, Macagua y Caruachi, los cuales permiten aprovechar el caudal del Río Caroní. Consta de siete conjuntos de nexos de transmisión, de los cuales Exportación Edelca e Importación Centro resultan medulares en la operación del SEV, ya que permiten transportar esta energía hacia el norte y centro del país. Como se puede observar en la figura 1, el día 3 de Agosto ambos intercambios venían excediéndose horas antes de los eventos de las 13:50 horas y posteriormente durante el resto del día a pesar de los racionamientos efectuados para recuperar el sistema luego del colapso. Debido a las causas que generaron el estudio, se procedió a sintonizar la herramienta de simulación (PSSE V-29) con las condiciones operativas del SEV para el 03 de agosto, previas a los eventos de colapso, a las 13:50 horas. En la figura 2, se presentan las condiciones de demanda, generación e intercambios considerados en la simulación.

Fig. 1 Evolución de los intercambios del SEV según resumen operativo diario del CNG del día 03-08-09 Fuente: Centro Nacional de Gestión, Resumen diario de la operación del Sistema Eléctrico Nacional Venezolano, Lunes 3 de Agosto de 2009, Ag. 2009

Fig. 2 Condiciones del SEV para el día 03-08-09 a las 13:50 horas

3

3 METODOLOGÍA USADA PARA EL CÁLCULO Y ANÁLISIS DEL COLAPSO DE TENSIÓN

3.1 Curva P-V

Las curvas P-V son el resultado de una serie de soluciones de flujo de carga donde se aumenta gradualmente la potencia transferida o la demanda en un área hasta el punto en que las soluciones en los flujos de carga divergen. Este punto de divergencia es próximo al punto de colapso de tensión.

En la figura 3, se muestran las características más relevantes de este tipo de curvas; en donde se puede identificar puntos “estables”, los cuales son condiciones de operación que el sistema es capaz de alcanzar en régimen permanente y los puntos “inestables” los cuales, a pesar de satisfacer las ecuaciones de flujo de carga, el sistema no puede operar bajo dichos puntos. El lugar geométrico de ambos tipos de puntos convergen hacia el Punto de Colapso del sistema, el cual representa un estado de operación capaz de alcanzar en régimen permanente (estable), sin embargo cualquier perturbación alrededor de este trae como consecuencia eventos de inestabilidad y/o colapso de tensiones y por lo tanto la pérdida en cascada de grandes bloques de demanda.

Para analizar este tipo de curvas se define un “Margen de Riesgo” el cual permite identificar cuáles puntos de operación estables se encuentran cercanos al Punto de Colapso. A partir de dicho margen se puede establecer igualmente un límite, el cual puede ser de potencia transferida ó de crecimiento de la demanda.

Fig. 3 Curva P-V

3.2 Metodología para elaborar las curvas P-V

Según el Western System Coordinating Council (WSCC), para realizar las curvas P-V es necesario visualizar tanto el área bajo estudio como los escenarios de demanda y generación en función de un determinado intercambio, tal y como se muestra en la figura 4.

Una vez definida el área bajo estudio, se definen dos metodologías para generar estas curvas, las cuales son: - Decremento de la generación con demanda constante, y/o - Aumento de la demanda con generación constante.

Para este estudio se aplicó la metodología de incremento de demanda con generación constante, la cual se consideró más acertada para el análisis del 3 de agosto, ya que horas antes de estos eventos se tenía un parque de generación constante, mientras que los intercambios del sistema se venían incrementando junto con el crecimiento de la demanda.

Como se planteó anteriormente, para este análisis es necesario definir un “Margen de Riesgo” que permita identificar los puntos de operación estables cercanos al Punto de Colapso. Según el WSCC dicho margen debe ser de un 5%, el cual puede ser considerado a partir de la demanda en el punto de colapso ó del valor del intercambio según sea el caso bajo estudio, tal y como se muestra en la figura 5.

V

P

LÍMITE DE POTENCIA

Estable

Inestable

Punto de Colapso

Margen de riesgo

4

Fig. 4 Visualización del área bajo estudio para generar las curvas P-V

Fig. 5 Margen de Riesgo y límite de intercambio o demanda dado por las curvas P-V

4 SIMULACIONES DE ESTABILIDAD DE TENSIÓN

A continuación se presentan las curvas P-V arrojadas por el programa junto con sus respectivos análisis. Los niveles de tensión mostrados corresponden a la S/E Morochas 230 kV ubicada en el occidente del país. Cabe destacar que en cada una de estas curvas se manifiesta un quiebre o salto a partir de cierto nivel de tensión en la barra debido a la entrada de compensación capacitiva, lo cual modifica la topología del sistema y por ende la curva P-V cambia con la entrada del banco de condensadores.

4.1 Caso 1: 03-08-09 a las 13:50 horas

Como se puede apreciar en la figura 6 el intercambio Importación Centro para las condiciones del SEV a las 13:50 horas, alcanza el punto de colapso en 5.985 MW con una demanda total de 15.694 MW. Utilizando el margen del 5% de seguridad según la metodología, el máximo valor permisible que podía alcanzar este intercambio era de 5.686 MW, de forma tal de asegurar que ante cualquier evento en el sistema (incrementos de demanda, disminución de generación, falla en el sistema de transmisión o de generación), no se pierdan grandes bloques de demanda. Sin embargo se estaba operando en 5.800 MW, es decir dentro de este margen de seguridad, y no muy lejos del punto de colapso determinado por las simulaciones.

Importación Centro

La diferencia entre el nivel del intercambio Importación Centro (5.800 MW) y el punto de colapso (5.985 MW) es de 185 MW aproximadamente, y en la figura 7 se puede apreciar que en las tres horas precedentes al evento, el intercambio importación Centro crecía con una rata de incremento de aproximadamente 215 MW por hora. De esta manera se presenta la posibilidad de que se haya alcanzado el Punto de Colapso del SEN debido a dicha tasa de incremento.

Fig. 6 Importación Centro para condiciones del SEV el 03-08-09 a las 13:50 hrs

Fig. 7 Evolución del intercambio Importación Centro el 03-08-09 entre las 10:00 y las 13:50 hrs

Importación Centro

38003900400041004200430044004500460047004800490050005100520053005400550056005700580059006000

03-A

go-0

9 10

:33:

36

03-A

go-0

9 10

:48:

00

03-A

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9 11

:02:

24

03-A

go-0

9 11

:16:

48

03-A

go-0

9 11

:31:

12

03-A

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9 11

:45:

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03-A

go-0

9 12

:00:

00

03-A

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9 12

:14:

24

03-A

go-0

9 12

:28:

48

03-A

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9 12

:43:

12

03-A

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9 12

:57:

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03-A

go-0

9 13

:12:

00

03-A

go-0

9 13

:26:

24

03-A

go-0

9 13

:40:

48

03-A

go-0

9 13

:55:

12

03-A

go-0

9 14

:09:

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Tiempo

Imp.

Cen

tro

(MW

)

Importación Centro

281 MW

156 MW

207 MW

P

Punto de Colapso

V 5%

LÍMITE DE INTERCAMBIO O DEMANDA

Á r e a b a jo

e s t u d io

R e s t o d e l

s i s t e m a

N e x o

D e m a n d a

G e n e r a c ió n G e n e r a c ió n

D e m a n d a

I n t e r c a m b io

G e n e r a c ió n

5

Realizando un análisis similar para Exportación EDELCA, se puede apreciar en la figura 8 que dicho intercambio alcanza el punto de colapso en 8.716 MW con una demanda total del SEV de 15.742 MW. Nótese que, en el caso de Importación Centro, la demanda en el punto de colapso es menor (15.694 MW); esto puede indicar que debido al crecimiento de la demanda, primero se alcanzaría el punto de colapso de tensiones en el intercambio Importación Centro que en la Exportación EDELCA.

Exportación EDELCA

Considerando el margen del 5% de seguridad, el máximo valor permisible que podía alcanzar este intercambio era de 8.280 MW. Sin embargo se estaba operando en 8.400 MW, es decir dentro de este margen de seguridad, y no muy lejos del punto de colapso determinado por las simulaciones.

La diferencia entre el nivel del intercambio Exportación EDELCA (8.400 MW) y el punto de colapso (8.716 MW) es 300 MW aproximadamente. En la figura 9 se puede apreciar que en las tres horas precedentes al evento, Exportación EDELCA tenía una rata de incremento de 260 MW por hora.

Fig. 8 Exportación EDELCA para condiciones del SEV el 03-08-09 a las 13:50 hrs

Fig. 9 Evolución del intercambio Importación Centro el 03-08-09 entre las 10:00 y las 13:50 hrs

4.2 Caso 2: 03-08-09 sin Planta Centro

El día 3 de agosto, en un instante de tiempo cercano a las 13:50 horas, salió de servicio la unidad N° 4 de Planta Centro. De esta manera la región central del país quedó con poca generación a pesar que la demanda total del sistema iba en aumento. Por esta razón se consideró conveniente realizar el análisis P-V para esta condición operativa.

En las figuras 10 y 11 muestran las curvas P-V para los intercambios Importación Centro y Exportación EDELCA respectivamente. En ambos casos el punto de operación simulado, además de estar dentro del margen de riesgo, se encuentra considerablemente cerca del colapso de tensión. Asimismo, los niveles de intercambio en ambos puntos de colapso son mayores que en el caso 1, mientras que la demanda servida, es menor. Esto nos indica que el déficit de generación en el área central es compensado con un mayor flujo de potencia hacia dicha área, sin embargo la demanda total del sistema se ve limitada en mayor medida debido a la ausencia de reactivos que aporta la unidad de generación faltante.

La demanda en el punto de colapso en el caso de Importación Centro es menor que en el intercambio Exportación EDELCA; esto puede indicar que también para este caso, primero se habría alcanzado el punto de colapso de tensiones en el intercambio Importación Centro que en Exportación EDELCA, debido al crecimiento de la demanda.

Exportacion EDELCA

5250

5500

5750

6000

6250

6500

6750

7000

7250

7500

7750

8000

8250

8500

03-A

go-0

9 10

:33:

36

03-A

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9 10

:48:

00

03-A

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9 11

:02:

24

03-A

go-0

9 11

:16:

48

03-A

go-0

9 11

:31:

12

03-A

go-0

9 11

:45:

36

03-A

go-0

9 12

:00:

00

03-A

go-0

9 12

:14:

24

03-A

go-0

9 12

:28:

48

03-A

go-0

9 12

:43:

12

03-A

go-0

9 12

:57:

36

03-A

go-0

9 13

:12:

00

03-A

go-0

9 13

:26:

24

03-A

go-0

9 13

:40:

48

03-A

go-0

9 13

:55:

12

03-A

go-0

9 14

:09:

36

Tiempo

Exp

ED

ELC

A(M

W)

Exportacion EDELCA

371 MW

201 MW208 MW

6

Fig. 10 Importación Centro Condiciones del SEV el 03-08-09 sin Planta Centro

Fig. 11 Exportación EDELCA Condiciones del SEV el 03-08-09 sin Planta Centro

4.3 Caso 3: 03-08-09 a las 16:57 horas

Luego de que saliera la unidad N° 4 de Planta Centro y de los eventos de las 13:50 horas, el intercambio Importación Centro siguió aumentando hasta alcanzar su valor máximo a las 16:57 horas, tal y como lo indica el Reporte de Operación Diaria del CNG mostrado en la Figura 1. Debido a que en los análisis P-V anteriores este intercambio resultó ser más crítico, resultó conveniente realizar las curvas P-V bajo dicha condición operativa. En la figura 12 se puede observar que el punto de colapso de tensiones para Importación Centro es de 6.355 MW, cuando el máximo intercambio real alcanzado el 3 de agosto a las 16:57 horas fue de 6.323 MW, lo que indica cuán cercano se encontraba nuevamente el SEV de la zona de inestabilidad y colapso de tensiones.

Fig. 12 Importación Centro para condiciones del SEV el 03-08-09 sin Planta Centro 16:57 hrs

Fig. 13 Exportación EDELCA para condiciones del SEV el 03-08-09 sin Planta Centro 16:57 hrs

Cabe destacar que la demanda del SEV en el punto de colapso es 14.401 MW, lo cual indica la magnitud de los racionamientos que fueron necesarios para evitar la recaída del sistema. Esto concuerda con lo presentado por el CNG en el “Resumen Preliminar de la Perturbación ocurrida en el SEN el 03-Ago-09”, en el cual se indica que para el instante en que el intercambio Importación Centro alcanzó su máximo valor del día, la demanda suplida del SEV se encontraba por debajo de los 14.000 MW.

7

En el caso de Exportación EDELCA, a pesar que el máximo intercambio fue a las 17:13 horas, podemos observar en la figura 13 que al alcanzar su valor máximo Importación Centro, Exportación EDELCA se encontraba igualmente cerca del punto de colapso. Cabe destacar que para esta condición de operación Exportación EDELCA es el intercambio más crítico desde el punto de vista de estabilidad de tensión, ya que la demanda en el punto de colapso (14.358 MW) es menor que en el caso de Importación Centro (14.401 MW). 5 CONCLUSIONES

1. Para el día Lunes 03-08-09 a las 13:50 horas, los intercambios del SEN (Exportación EDELCA e

Importación Centro) se encontraban cerca del Punto de Colapso de tensiones determinados en las simulaciones realizadas. Esto, sumado a la tasa de incremento de dichos intercambios, superior a los 200 MW/hora, permite plantear la posibilidad de que se haya alcanzado el Punto de Colapso de Tensiones dado por las curvas P-V en estas condiciones operativas.

2. Según el análisis P-V, el intercambio Importación Centro resultó ser más crítico para el día 03-08-09 a las

13:50 horas ya que la demanda en el Punto de Colapso se alcanza antes que en la curva P-V para el intercambio Exportación EDELCA.

3. Con la salida de la unidad de generación en el área central, Importación Centro es el intercambio más

crítico. Se evidencia la exigencia que se hace del mismo, ya que el punto de Colapso se alcanza en un nivel mayor, pero con la demanda total del SEV limitada debido a la ausencia de reactivos que aporta la unidad de generación faltante.

4. A la hora de máximo intercambio Importación Centro (16:57 horas) el SEV se encontraba nuevamente

cerca de recaer en eventos de inestabilidad y colapso de tensión a pesar de los racionamientos de demanda efectuados luego de las 13:50 horas para recuperar el sistema. En este caso el Intercambio Exportación EDELCA resultó más crítico.

5. Al operar el SEN con niveles de intercambios dentro del margen de riesgo del 5% dado por las curvas P-

V, eventos menores pueden hacer operar el sistema en puntos cercanos al Colapso de Tensiones y traer como consecuencia la pérdida en cascada de grandes bloques de demanda.

6. Las Curvas P-V varían en función tanto de la topología como de la distribución de la demanda del sistema

bajo estudio, razón por la cual constituye un análisis puntual para determinar el punto de colapso de un sistema de potencia en condiciones de operación específicas.

7. Las Curvas P-V pueden ser un indicativo para los operadores del SEV dirigido a planes de racionamiento

que permitan mantener la estabilidad del sistema y evitar eventos de inestabilidad y Colapso de Tensiones.

6 REFERENCIAS

[1] Centro Nacional de Gestión, Resumen diario de la operación del Sistema Eléctrico Nacional, Lunes 3

de Agosto de 2009, Ag. 2009.

[2] Centro Nacional de Gestión, Resumen preliminar de la perturbación ocurrida en el SEN el 03-Ago-09, 2009.

[3] Western System Coordinating Council, Voltage Stability Criteria, Undervoltage Load Shedding Strategy, and Reactive Power Reserve Monitoring Methodology, Mayo 1998.

[4] Brito R. Aura, Evaluación de los límites de transferencia de potencia del Sistema Eléctrico Nacional debidos a la Estabilidad de Voltaje, EDELCA, División de Planificación de Sistemas Eléctricos, Dic. 2008.