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Aplicación de Investigación de Operaciones Simulador del Sistema Eléctrico de Distribución para apoyo en la toma de decisiones en Centros de Control de Distribución de la CFE 2010 Universidad Veracruzana

Sistemas Computacionales Administrativos

Integrantes: Mariana Garrido Palomino Ilse Denisse González Mérida Joaquin Isaid de la Rosa Domínguez Fernando Aguirre Fernández Yasmin del Carmen Vidal Guzmán


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ÍNDICE 1. Introducción……………………………………………………………………………...3

2. Antecedentes………………………………………………………………………….....4

3. Objetivo………………………………………………………………………..………….5

4. Materiales y métodos…..……………………………….…………………………….7 4.1.

Arquitectura Física Zonal…………………………….…………………………….………10

4.2.

Arquitectura Física Regional……………………….………………………….………….11

4.3.

Sistema Experto………………………………………….…………………………..…………12

5. Resultados……………………………………………………………………….……..15

6. Discusión………………………………………………………………………………..18

7. Conclusiones………………………………………………………………………..….19

8. Referencias bibliográficas………………………………………………….………20

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1. INTRODUCCIÓN El presente trabajo se elabora con la finalidad de indagar y a su vez ejemplificar las aplicaciones de la Investigación de Operaciones en una empresa, en la cual, al hacer uso de alguno de los métodos de I.O. elaborarán algún proyecto y éste fuera de éxito para así apoyar la toma de decisiones y/o reducir costos. Primeramente se explica el ¿por qué se hizo el proyecto? Y ¿para qué se hizo? Con el fin de mencionar algunos antecedentes de la empresa y su situación antes de desarrollarse el Sistema Experto utilizando la investigación de operaciones. En segundo lugar mencionaremos cuales fueron los objetivos ¿qué se pretendió lograr? al hacer el Simulador del Sistema Eléctrico de Distribución para apoyo a la toma de decisiones en los Centros de Control de Distribución de la Comisión Federal de Electricidad. Posteriormente presentaremos cuáles fueron los materiales y métodos que se necesitaron para la implementación del sistema, es decir, ¿qué y cómo se hizo? Enseguida mostraremos los resultados obtenidos en las Zonas en las que se implementó el Simulador y qué se encontró una vez que ya estuvo en uso el Simulador. Por último están las conclusiones a las que se llegaron y los beneficios que se obtuvieron con la implementación del Simulador así como también una breve discusión del tema.

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2. ANTECEDENTES Por mencionar: la Investigación de Operaciones es una rama de las matemáticas consistente en el uso de modelos matemáticos, estadísticos y algoritmos con el objeto de realizar un proceso de toma de decisiones. Las primeras aplicaciones de la Investigación de Operaciones se remontan al inicio de la Segunda Guerra Mundial con el uso militar de una técnica conocida como radioubicación, posteriormente se aplicó en la solución a ecuaciones lineales, problemas de transporte, programación lineal hasta llegar a los sistemas expertos que es el caso de aplicación que nosotros desarrollaremos. Actualmente, los centros de control de distribución cuentan con sistemas SCADA que en caso de fallas, permiten monitorear y operar equipos de selecciona miento remotos mediante telecomandos, o bien, en caso de equipos manuales, operan mediante el envío de cuadrillas directamente al posible punto de falla. La capacidad de respuesta ante fallas o eventos depende directamente del conocimiento y experiencia del Operador en turno, este conocimiento y experiencia es adquirido principalmente en el Centro de Control de Distribución mediante entrenamiento en línea en el trabajo, por lo que no cuentan con la oportunidad de experimentar, analizar y comparar resultados de diversas maniobras. Este esquema de operación impide llevar a cabo reconfiguraciones de prueba de las redes de distribución para observar comportamientos, analizar índices de confiabilidad y así apoyar la toma de decisiones. Ante esta situación, el Simulador del SED es una herramienta de ingeniería que permite realizar estudios de comportamiento y predicción a corto plazo con información actualizada en línea para establecer planes de operación normal y de contingencia, estrategias de restauración óptima soportada por el cálculo de índices y funciones objetivo, así como verificación automática de niveles operativos y de seguridad. De esta manera, surge la necesidad de diseñar, integrar, instalar y operar una herramienta informática de apoyo a las actividades sustantivas de los Operadores del SED y así contribuir al plan estratégico y mejoramiento de los niveles de productividad y competitividad de CFE.

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3. OBJETIVO El objetivo más importante de la aplicación de la Investigación Operativa es apoyar en la “toma óptima de decisiones” en los sistemas y en la planificación de sus actividades. El objetivo y finalidad de la “investigación operacional” (conocida también como “teoría de la toma de decisiones”, o ”programación matemática”) es encontrar la solución óptima para un determinado problema (militar, económico, de infraestructura, logístico, etc.) Está constituida por un acercamiento científico a la solución de problemas complejos, tiene características intrínsecamente multidisciplinares y utiliza un conjunto diversificado de instrumentos, prevalentemente matemáticos, para la modelización, la optimización y el control de sistemas estructurales. En el caso particular de problemas de carácter económico, la función objetivo puede ser obtener el máximo rendimiento o el menor costo. La investigación operacional tiene un rol importante en los problemas de toma de decisiones porque permite tomar las mejores decisiones para alcanzar un determinado objetivo respetando los vínculos externos, no controlables por quien debe tomar la decisión. El objetivo del SED desarrollado para la CFE y los Centros de Control de Distribución de energía eléctrica en México es integrar funciones de ingeniería de distribución (flujo de potencia, corto circuito, reconfiguración óptima, confiabilidad, entre otras) y un Sistema Experto (Razonamiento Basado en Casos) para apoyar el procesos de análisis de información, la toma de decisiones y la capacitación en los Centros de Control de Distribución Zonales y Regionales de CFE. El Simulador del SED se encuentra instalado, actualizado y en operación en la Zona Tampico y en la División de Distribución Golfo Centro como un producto consolidado y en constate evolución. El Sistema Eléctrico de Distribución es la parte del Sistema Eléctrico Nacional comprendida en un área geográfica determinada, contiene instalaciones en alta, media y baja tensión para suministrar el servicio de energía eléctrica a los clientes de la empresa en los diferentes niveles de tensión.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA Investigación de Operaciones Las funciones básicas de los Operadores del SED en los Centros de Control de Distribución son:  Operar y supervisar SED que está bajo su responsabilidad, con seguridad, calidad, continuidad, economía y de conformidad.  Analizar solicitudes de libranza y autorizar licencias de equipos.  Administrar licencias sobre el equipo que comprende el SED en el ámbito de la Zona.  Elaborar reportes e informes de resultados sobre la operación del SED en el ámbito de una Zona.  Analizar eventos y disturbios que afectan el suministro en circuitos de alta y media tensión.  Supervisar el cumplimiento a la disponibilidad de la red y de los equipos instalados en el SED.  Atender las solicitudes de los clientes en alta tensión. En este contexto, un operador del SED debe vigilar el cumplimiento de diversos índices para cada objetivo:  Seguridad  Continuidad  Calidad  Economía

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4. MATERIALES Y MÉTODOS La elaboración del problema esta subdividida en fases obligatorias, las principales son: 

Examen de la situación real y recolección de la información.

Formulación del problema, identificación de las variables controlables y las externas (no controlables) y la elección de la función objetivo, a ser maximizada o minimizada.

Construcción del modelo matemático, destinado a dar una buena representación del problema; debe ser fácil de usar; representar el problema, dando toda la información para poder tomar una decisión lo más idónea posible.

Resolución del modelo (mediante diferentes modalidades).

Análisis y verificación de las soluciones obtenidas: se controla si la función objetivo ofrece las ventajas esperadas; se verifica la representatibilidad del modelo; y, se efectúan análisis de sensibilidad de la solución obtenida.

Utilización del sistema obtenido para su posterior uso.

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La figura muestra la arquitectura lógica con la que fue conceptualizado y materializado el Simulador SED. Se muestran las interfaces básicas de acceso a datos de otros sistemas, entre los más importantes: 

Interfaz SCADA. Obtiene información de los elementos del SED en tiempo real. Considera mediciones y estado de interruptores.

Interfaz GIS. Fuera de línea extrae y acondiciona la información de topología de la red, considerando su ubicación georeferenciada, así como los datos eléctricos, físicos y geométricos.

Interfaz para datos de operación. En línea, en caso de una falla, extrae información operativa de los elementos en el SED que se encuentran involucrados en la falla, así como de aquellos que pueden apoyar en la solución mediante la transferencia de carga.

Funciones básicas. El núcleo del Simulador considera las funciones de ingeniería de distribución incluidas de manera nativa en la herramienta de análisis y planeación de redes, la cual fue evaluada, seleccionada e integrada utilizando una arquitectura especialmente desarrollada y validada.

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Funciones adicionales. Con el objeto de acceder de manera consistente a las diversas herramientas del Simulador del SED, se diseñaron, integraron y validaron varias funciones que permiten mantener una operación confiable del mismo, entre las más importantes están el administrador de una memoria compartida, el administrador de transacciones y privilegios.

Registro histórico. Con los datos obtenidos en tiempo real se almacena permanentemente un registro persistente de la información.

Base de conocimiento. Incluye los procedimientos aplicados por un operador experto del SED, así como información de los clientes importantes conectados en este sistema.

Sistema Experto. Esquema de inteligencia artificial con Razonamiento Basado en Casos, que en caso de una falla o disturbio en la red eléctrica, emite una recomendación de restablecimiento, la cual considera cálculo de índices y funciones de objetivo, así como verificación automática de niveles operativos y de seguridad como son el perfil de voltaje, cargabilidad y pérdidas, entre los más importantes.

Recomendación de operación. Estrategia de restauración óptima soportada por el cálculo automático de alternativas de restauración, así como la evaluación de cada una de las alternativas técnicamente factibles para definir “la mejor”, considerando, además de los índices técnicos y criterios objetivo, los clientes importantes que quedarán fuera de servicio durante la reparación de la falla.

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ARQUITECTURA FÍSICA ZONAL El Simulador del SED en su configuración Zonal permite el acceso a datos de los sistemas SCADA mediante tres opciones: tecnología de replicación de datos en tiempo real, protocolo DNP 3.0 o interfaz de datos OPC. Una vez adquiridos los datos en tempo real, estos se empaquetan y se envían al Simulador del SED definido como Regional, de manera que el sistema Regional acumulará el total de datos SCADA de todos los Simuladores del SED Zonales que se requieran.

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ARQUITECTURA FÍSICA REGIONAL El Simulador del SED Regional, además de acumular los datos de todos los Zonales, también es de operación idéntica e independiente, de manera que a nivel Regional se tiene la capacidad de analizar maniobras normales o de contingencia, considerando los enlaces o alternativas de restauración entre redes de distribución Zonales, o incluso, considerando el efecto de las redes de alta tensión que se interconectan. Adicionalmente, para la configuración Regional, el Simulador del SED se integro en un centro de monitoreo y análisis del SED, el cual cuenta con la capacidad de monitoreo remoto de los sistemas SCADA de las Zonas que conforman una Región o División si así se define. De esta manera, se cuenta con la capacidad de analizar el SED en tiempo real considerando la operación real, así como las estrategias de restablecimiento emitidas por el Sistema Experto del Simulador SED.

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SISTEMA EXPERTO El Sistema Experto integrado ejecuta la siguiente secuencia: 

Mediante un monitoreo constante de la información SCADA y comparando los datos medidos en campo contra la configuración actual del SED, se detecta automáticamente cuando ocurre un evento clasificado como ocurre un evento clasificado como “fuera de lo normal” o contingencia, el cual puede deberse a una falla o a un disturbio en la red de distribución.

Cuando un evento es detectado, automáticamente se muestra al Operador un mensaje informado la situación con el circuito involucrado y el Simulador del SED solicita confirmación para la ejecución de los algoritmos del Sistema Experto.

Si el Operador ignora o cancela el aviso, se cancela la ejecución automática y el Simulador del SED regresa a su operación normal (para el caso de maniobras planeadas o aperturas/cierre de restauradores).

Si el Operador confirma que es un evento “Fuer de lo normal” o contingencia, el Simulador del SED le solicita ubicar la falla en la red de distribución y elabora el “escenario de la falla”, despejando a la herramienta de análisis NEPLAN sin actualización automática de datos SCADA.

El Simulador del SED hace uso del módulo de “Estrategia de restauración óptima” de la herramienta de análisis NEPLAN para obtener la evaluación técnica de restauración considerando 4 criterios objetivo.

El Simulador del SED toma la respuesta de la herramienta de análisis NEPLAN y los emite al Sistema Experto.

El Sistema Experto recibe la petición de ejecución junto con la información técnica depurada de las cuatro opciones de restauración y aplica dos criterios de análisis:

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA Investigación de Operaciones 1. Con base en un algoritmo de Razonamiento Basado en Casos, encuentra al “vecino más cercano” de la solución óptima. 2. Evalúa la “cercanía” de cada una de las cuatro alternativas técnicas y las califica. 3. Recupera la lista de clientes importantes que quedaran fuera de servicio durante el proceso de restauración y calcula un “índice de factibilidad” de cada plan. 4. Se calcula un “índice de recomendación total” y se emite una respuesta al Simulador del SED con el resultado obtenido. 

El simulador del SED obtiene la respuesta del Sistema Experto, emite la recomendación al Operador incluyendo la lista completa de clientes importantes que quedarán fuera durante el proceso de restauración.

Al mismo tiempo que el Simulador del SED solicita la ejecución del Sistema Experto, también inicia la consulta de otros sistemas externos con información histórica operativa y de fallas, tales como el SIAD y SIPASD.

El Operador, con base en la información mostrada, su experiencia y criterio, toma la decisión de la estrategia a seguir y la selecciona en la herramienta de análisis NEPLAN para que sea guiado en cada una de las maniobras a ejecutar.

La herramienta de análisis NEPLAN continúa con la ejecución de su módulo de “Estrategia de restauración óptima” y muestra al Operador la secuencia de aperturas y cierres de interruptores para aislar y reparar la falla, así como para normalizar la red de distribución.

En el proceso es posible consultar los indicadores de la falla, tales como : carga no recuperada, perfiles de voltaje, índices de cargabilidad, entre otros.

Una vez concluidas las maniobras de restauración de la falla, tales como: carga no recuperada, perfiles de voltaje, índices de cargabilidad, entre otros.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA Investigación de Operaciones 

Una vez concluidas las maniobras de restauración de la falla, se concluye la ejecución del módulo del Sistema Experto y el Simulador SED continúa en línea conectado al SCADA con la información adquirida en campo.

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5. RESULTADOS El Simulador del SED se encuentra instalado en la CFE en la Zona Tampico con su configuración Zonal y en la División Golfo Centro en su configuración Regional. Desde su instalación en diciembre de 2010 se han realizado mediciones de su uso y beneficios, llegando a las siguientes conclusiones: 

El Simulador del SED en la Zona Tampico y en la División Golfo Centro se encuentra operando con la red eléctrica real y actualizada en modo de diagramas unifilares, incluyendo las reconfiguraciones y cambios en subestaciones.

El Simulador del SED cuenta con datos SCADA en tiempo real y registro histórico confiable.

En caso de fallas en la red, el Simulador del SED genera estrategias de restablecimiento similares a las acciones que toma un Operador experto para resolver la situación presentada.

En caso de fallas en la red, el Simulador del SED calcula y muestra información de valor para el Operador, hasta ahora no se contaba con alguna herramienta de software o medios de acceso eficiente para evaluar la información de cargas no recuperadas durante la reparación de la falla, de clientes importantes afectados y del impacto de la falla, así como del comportamiento operativo basado en los datos de medición real en alimentadores.

El registro histórico del Simulador del SED permite contar con una herramienta confiable para el análisis de maniobras ejecutadas y la planeación de las nuevas maniobras basadas en datos reales medidos por el sistema SCADA de la Zona.

Con el registro histórico del Simulador del SED, se han podido validar maniobras previamente ejecutadas considerando la situación real que prevalecía en el momento de la maniobra, lo que permitirá en el futuro incrementar el nivel de certeza de éxito y minimizar la incertidumbre o posibilidad de error en la maniobra por violación de límites físicos y operativos del equipo eléctrico y de condición en la red.

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120 100 80 60 40 20 0 Red Eléctrica

Datos SCADA

Generador de estrategias Sin SED

Reparación de fallas

Registro histórico

Con SED

En esta gráfica se muestran los beneficios obtenidos con la implementación del Sistema Experto en CFE en cuanto a la Red Eléctrica, Datos SCADA, Generador de Estrategias, Reparación de fallas y Registro histórico.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA Investigación de Operaciones 120

100

80 Sin SED

60

Con SED 40

20

0 Costos

Duplicidad

Desempeño

Seguridad

En esta gráfica se muestran algunos aspectos que se mejoraron en la empresa, los costos se redujeron, la duplicidad era de cero y aumentó, el desempeño, y la seguridad aumentaron de igual manera.

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6. DISCUSIÓN En operación normal el Simulador del SED permite realizar análisis de libranzas reales de bancos de transformadores en un lapso de 30 minutos, incluyendo la documentación de soporte a la maniobra en con contingencia, en caso de una falla o disturbio en la red, el evento se detecta automáticamente en menos de 10 segundos. A partir de la ubicación de la falla el algoritmo completo del Sistema Experto se ejecuta en 35 segundos y genera recomendaciones de restablecimiento similares a las que obtiene un Operador Experto con más de 10 años de experiencia en la red bajo análisis. En un lapso de 3 minutos se muestran las curvas operativas, histórico de fallas y mantenimientos de los elementos bajo falla y de aquellos que puedan apoyar en el proceso de restauración. La inserción de datos SCADA a la herramienta de análisis NEPLAN se realiza en menos de 1 segundo considerando 1000 valores medidos analógicos y digitales. BENEFICIOS 

El Sistema Experto actúa como un Operador con mucha experiencia en la configuración y operación del SED.

En la recomendación de restauración se consideran parámetros o criterios que no son fáciles de evaluar, como pérdidas o perfiles de voltaje.

El Simulador del SED muestra tendencias de voltajes, corrientes y potencia para que el Operador evalúe el perfil de los elementos en falla y del elemento de apoyo a la recuperación de carga, durante la reparación de la falla y hasta la normalización del SED.

El Simulador del SED se encarga de recuperar

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7. CONCLUSIONES ¿Se encontró una respuesta a la hipótesis de la investigación? Con el presente trabajo de investigación podemos llegar a la siguiente conclusión: La Investigación de Operaciones es muy importante en el desarrollo de Sistemas Expertos en las empresas, ya que con sus diferentes métodos para maximizar o minimizar restricciones podemos optimizar muchos de los procesos repetitivos que se desarrollan dentro de la empresa. Además, al tener un Sistema Experto en la empresa tenemos las siguientes ventajas: 

Están disponibles ininterrumpidamente de día y noche, ofreciendo siempre su máximo desempeño.

Pueden duplicarse ilimitadamente.

Pueden trabajar en entornos hostiles y peligrosos.

Siempre se ajustan a las normas establecidas y son consistentes en su desempeño.

Con el proyecto del Simulador del SED, se demuestra que en México sí es posible el desarrollo de productos tecnológicos con alto grado de innovación, que impacten de manera positiva apoyando el desarrollo diferentes actividades, así como el proceso de análisis y propuestas de mejora.

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8. REFERENCIAS BIBLIOGRテ:ICAS http://webs.uvigo.es/mpsp/rev01-1/trabinv-01-1.pdf

http://www.investigaciondeoperaciones.net/aplicaciones_de_la_investigacion_de_o peraciones.html http://www.investigacion-operaciones.com/Aplicaciones_IO.htm http://www.iie.org.mx/boletin022011/inves.pdf http://iqanalytics.com/Samplebooks/operaciones/casos.pdf http://www.depi.itch.edu.mx/apacheco/ai/ventdesv.htm

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