3. HERRAMIENTAS DE OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO

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1 3. HERRAMIENTAS DE OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO Con el objetivo de optimizar el control de tensiones y la potencia reactiva se han desarrollado y se continúan desarrollando métodos, técnicas y algoritmos que posibiliten y faciliten el trabajo al operador del sistema. Se pretende que las herramientas que se elaboren cumplan unos requisitos de fiabilidad, robustez y facilidad de forma que se adapten a cualquier tipo de red, con unos resultados viables de ser ejecutados mediante las actuaciones correspondientes. Los algoritmos matemáticos actuales se basan en distintas técnicas numéricas que se siguen mejorando. Algunas técnicas utilizadas son las que se enumeran a continuación: Método del gradiente. Método de Newton. Programación lineal. Programación cuadrática. Optimización con restricciones lineales. Es adecuado interpretar las limitaciones que presentan los elementos que forman parte del sistema eléctrico como restricciones para la función objetivo del sistema a resolver para su optimización. A los métodos numéricos se les incluyen, en la mayoría de las ocasiones, restricciones basadas en la experiencia de los operadores en forma de ecuaciones matemáticas. Está muy extendido el uso de reglas del tipo condicionales, que están basados en la experiencia, preferencia y capacidades de los operadores del sistema. Las reglas empleadas se conocen con el nombre de métodos heurísticos. Pág. 16

2 Los métodos heurísticos establecen principalmente unas condiciones que deben de cumplirse a la hora de calcular la solución óptima mediante el algoritmo matemático. Una muestra de la heurística empleada es la siguiente: Establecer los límites para las actuaciones que se realicen con el fin mantener un margen de seguridad. Definir los límites de las tensiones en los nudos de la red. Fijar una potencia reactiva límite en los nudos de generación. Priorizar la resolución de unas anomalías del sistema frente a otras. Limitar el uso de algunas variables de control en determinados periodos de tiempo. Establecer el número máximo de actuaciones simultaneas que se pueden realizar a fin de ser práctico para el operador del sistema. Preferenciar el uso de una variable de control determinada frente a otras que estén disponibles en determinadas regiones o situaciones de la red. Actualmente la unión de los métodos numéricos con los heurísticos ha dado lugar a los métodos llamados híbridos con una buena aceptación entre los operadores del sistema y mostrando unos buenos resultados en el trabajo desempeñado. Debido al potencial que muestran los algoritmos matemáticos desarrollados, éstos se han convertido en una herramienta indispensable para las diferentes tareas de las que requiere un operador de sistema, Explotación y Planificación. Además, es una herramienta de gran utilidad para conocer los efectos que provocarían sobre el sistema la variación de estado de algunas variables de la red. Para el control de tensiones y flujos de potencia se utilizan actualmente dos clases de herramientas, por un lado están los OPF y por otro lado los denominados Sistemas Pág. 17

3 Expertos. Con el nombre de OPF (Optimal Power Flow) se conoce a la herramienta informática encargada, entre otras cosas, del Reparto de Carga Óptima del sistema. Es una herramienta imprescindible a día de hoy para la explotación y planificación del sistema eléctrico y está presente en la mayoría de los centros de control. Un OPF tiene la misión de determinar, periódicamente, los valores óptimos de estado de la red eléctrica y como objetivo prioritario, eliminar las posibles violaciones de límites y/o anomalías que existan en la red. El OPF también es usado por algunos operadores de sistema como una herramienta de uso preventivo y anticiparse a determinadas contingencias que se puedan producir, manteniendo la red en un estado determinado de calidad y seguridad. Diversos métodos y distintas formas de aplicación para los OPFs se han ido desarrollando con éxito en la práctica, pero básicamente existen dos grupos para su clasificación: Algoritmos con reparto de carga diferenciado: En este tipo de algoritmos, el módulo encargado del reparto de cargas recibe el estado actual de las variables y la topología del sistema. Este módulo prepara los datos de entrada necesarios para el módulo que se encargará de la optimización, basándose en algunas de las técnicas numéricas enumeradas al inicio del capítulo. Además, el módulo de optimización incluye las restricciones para las variables del sistema, expresadas en reglas numéricas o condiciones heurísticas. Algoritmos con resolución simultánea: En este caso, las ecuaciones objetivo de la red y el proceso de optimización se resuelven simultáneamente. Por lo tanto, las ecuaciones de la red se cumplirán cuando se alcance la solución óptima. Los algoritmos incluidos en esta categoría se basan en las ecuaciones de Karush-Kuhn-Tucker condicionadas a las restricciones de la red eléctrica de trabajo y a la vez usando un proceso iterativo mediante el método de Newton. Pág. 18

4 En la resolución numérica del problema al que se enfrenta el OPF, este maneja todas las variables de control que se encuentran en el sistema, lo que conlleva una solución inviable desde el punto de vista del operador del sistema, ya que es prácticamente imposible actuar sobre tantas variables a la vez. Por ello, inicialmente, un OPF no parecía una herramienta no muy adecuada para el control de tensiones y flujos de potencia en tiempo real. Los últimos desarrollos han proporcionado herramientas que incluyen una parte de heurística haciendo más factible el trabajo para el operador. Aún así son herramientas demasiado complejas para su uso en tiempo real. Cuando un operador detecta la presencia de violaciones de límites en el sistema, su objetivo prioritario es hacerlas desaparecer o en su defecto mitigarlas de la forma más rápida y eficiente posible. Un OPF sería una herramienta adecuada para llevar a cabo el análisis de la red y actuar en consecuencia, pero como se comentó anteriormente, la complejidad y la excesiva cantidad de variables a tener en cuenta dificultan su operación. Por ello, la tendencia actual es utilizar Sistemas Expertos Híbridos que contienen una parte numérica junto a una parte de heurística. Las ventajas que presentan estos tipos de herramientas frente a los OPF son las siguientes: La incorporación de los conocimientos de los operadores sobre un hecho en concreto que pueda ocurrir en el sistema eléctrico pueden ser expresados fácilmente mediante condicionales lógicos de sencilla comprensibilidad. Cada regla que se incorpora al algoritmo representa un conocimiento adquirido por la experiencia acumulada tanto previa a la elaboración del programa informático como durante su ejecución. Tiene la capacidad de proveer al usuario los resultados de una forma clara, además de poder mostrar el proceso seguido para llegar a esos resultados. Pág. 19

5 Un Sistema Experto toma los datos referentes a la red, los pasa a través de una base de conocimientos, la cual recoge todos los hechos físicos y las reglas heurísticas, y los datos de salida se implementan en la parte concerniente a la optimización del sistema. En cualquiera de los dos tipos de herramientas presentados, OPF y Sistema Experto, existe una problemática a la hora de elegir las variables de control que se prefieren utilizar o las más adecuadas para mitigar una anomalía. Para resolverla, se incorpora el cálculo de las sensibilidades. Las sensibilidades representan, básicamente, las relaciones matemáticas entre las actuaciones necesarias a aplicar en las variables de control disponibles para llevar dentro de límites las violaciones y los efectos que provocan sobre las variables a corregir. En función del valor de la sensibilidad correspondiente a una variable de control será utilizada o no para corregir la anomalía. Las sensibilidades también permiten predecir el efecto que tendrá la actuación aplicada a una variable de control sobre las variables dependientes y evitar así la aparición de nuevas violaciones. Hay distintos criterios para seleccionar las variables de control adecuadas atendiendo a su sensibilidad. El criterio más extendido y en el que se basa el algoritmo sobre el que se basa el proyecto que aquí se trata, es el de utilizar aquellas variables que con el mínimo de actuación produce un mayor efecto beneficioso sobre la variable a meter dentro de límites. Las violaciones más importantes a controlar son las de las tensiones en los nudos, aunque no son las únicas variables sujetas a permanecer dentro de unos límites de seguridad. También serán determinantes en el problema las potencias introducidas por los nudos de generación y los flujos de potencia que circulan por las líneas de la red. Al igual que al decidir las variables de control más aconsejables utilizar, habrá que determinar cuáles son las variables fuera de límites que hay que tratar y el orden para ello. Pág. 20

6 Es muy habitual que cuando aparecen varias tensiones fuera de límites, el criterio que se establezca sea la siguiente: Una tensión anómala, cuanto más alejada está de su límite, más grave será su problema, así que, lo aconsejable es tratar en primer lugar la tensión con mayor violación de su valor. Se sabe, con la experiencia adquirida en la corrección de tensiones por parte de los operadores del sistema, que existe un fuerte acoplamiento entre las tensiones de los nudos próximos, por lo que resolviendo la violación de una tensión, las anomalías cercanas desaparecerán o al menos disminuirán de gravedad. Muchos de los trabajos actuales referentes a la corrección de las violaciones del sistema eléctrico tienden a disgregar el proceso en el control de tensiones y en el control de flujos mediante distintos métodos. En el trabajo que aquí se desarrolla se toma la misma estrategia, en primer lugar se realiza un control de tensiones y una vez que se considere finalizado el proceso se continua con un control de flujos de reactiva, particularmente, y como novedad, el del flujo de reactiva que atraviesan los transformadores con tomas regulables. Pág. 21