Confiabilidad basada en Riesgo

Anรกlisis de Confiabilidad

Confiabilidad Basada en Riesgo Diciembre 2020

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Análisis de Confiabilidad



Confiabilidad

Confiabilidad de los equipos

 Confiabilidad del Suministro de Potencia Riesgo(t)=Probabilidad de Falla(t) x Consecuencias

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Análisis de Confiabilidad

Contenido  Introducción al Análisis de Confiabilidad  Comparación entre Análisis de Confiabilidad y Contingencias  Índices de Confiabilidad  Proceso de Cálculo  Modelado del Sistema de Potencia para Análisis de Confiabilidad  Modos de Falla  Aplicaciones del Análisis de Confiabilidad

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Análisis de Confiabilidad

Contenido

 Introducción al Análisis de Confiabilidad  Comparación entre Análisis de Confiabilidad y Contingencias  Índices de Confiabilidad  Proceso de Cálculo  Modelado de Sistemas para Análisis de Confiabilidad  Modos de Falla  Aplicaciones del Análisis de Confiabilidad

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Análisis de Confiabilidad







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Definición

En términos generales, la confiabilidad es una medida de que tan bien un sistema realiza las funciones que se esperan del mismo.

Es la capacidad de un sistema para suministrar energía eléctrica a los clientes dentro de estándares aceptables y en la cantidad deseada El Análisis de Confiabilidad es la evaluación de la probabilidad de interrupción del servicio al cliente para una configuración dada de la red.

Análisis de Confiabilidad

Definición

…la confiabilidad o no confiabilidad en sistemas eléctricos es función de la interrupción del suministro de energía • Cortocircuitos • Apagones debido a sobrecargas • Salida de generadores • Interrupciones de servicio por maniobras erróneas, automáticas o manuales 6

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Causas de Interrupciรณn: Animales

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Causas de Interrupciรณn: Tormentas

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Causas de Interrupciรณn: Accidentes

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Austria, Verano

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Análisis de Confiabilidad

Reporte de Fallas Inicio de la Interrupción DD.MM.YYYY hh:mm

Duración de la Interrupción hh:mm

Tormenta, caída de un árbol sobre una línea

02.06.1998 16:14

01:01

Descargas atmosféricas / Rayos

05.08.1999 22:15

01:12

Hielo/Nieve, la acumulación de hielo y nieve causó la ruptura de una línea

15.01.2000 13:30

05:30

Accidente Vehicular: El vehículo chocó y derribó un poste causando la apertura del circuito.

27.05.2000 23:35

02:00

Contacto Animal: Una ardilla saltó sobre el transformador y provocó un cortocircuito

04.04.2002 14:12

00:02

Una compañía constructora dañó un cable subterráneo al usar una máquina excavadora

22.09.2003 09:03

01:30

Protocolo de una Evento, Ubicación Subestación:

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Análisis de Confiabilidad

Índices de Confiabilidad

Probabilidad de Interrupción Esperada

Alemania Suiza Bélgica Polonia Francia Gran Bretaña Grecia Noruega Irlanda España Italia

No disponibilidad por usuario

0

12

100

200

min/yr

300

Análisis de Confiabilidad

Italia, Apagón el 28 de Septiembre de 2003 Domingo, 28 de Septiembre, 2003 Inmenso apagón paraliza Italia Italia fue golpeada por un corte de energía masivo y muchas zonas permanecen sin electricidad horas después de un apagón sin precedentes.

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Suramerica

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Suiza, Apagรณn el 22 de Junio, 2005

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Análisis de Confiabilidad

Contenido  Introducción al Análisis de Confiabilidad  Comparación entre Análisis de Confiabilidad y Contingencias  Índices de Confiabilidad  Proceso de Cálculo  Modelado de Sistemas para Análisis de Confiabilidad  Modos de Falla  Aplicaciones del Análisis de Confiabilidad

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Análisis de Confiabilidad

Comparación con Análisis de Contingencias (1) Datos de la Red Estadísticas Datos de confiabilidad

~

Escenarios de Contingencia

Eval.

Manual

Resultados Cualitativos (Rangos)

Contingencias 17

Evaluación Autómatica

Resultados Cuantitativos (Indices de Confiablidad)

Confiabilidad

Análisis de Confiabilidad

Comparación con Análisis de Contingencias (2) Análisis de Contingencias   

  

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Evaluación Cualitativa y determinística Enfocada en violación de límites Desarrollo de estrategias para reducir la violación de los límites o para enfrentar problemas de contingencias Requiere menos datos Analiza solo ciertas contingencias La automatización de la red no se considera

Análisis de Confiabilidad   

  

Evaluación Cuantitativa y probabilística Enfocada en el cliente (disponibilidad de energía, confiabilidad) Desarrollo de estrategias para mejorar la confiabilidad del suministro o para reducir costos Requiere mas datos Analiza todas las posibles contingencias Se considera la automatización de la red

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Anรกlisis de Confiabilidad

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Análisis de Confiabilidad

Contenido  Introducción al Análisis de Confiabilidad  Comparación entre Análisis de Confiabilidad y Contingencias  Índices de Confiabilidad  Proceso de Cálculo  Modelado de Sistemas para Análisis de Confiabilidad  Modos de Falla  Aplicaciones del Análisis de Confiabilidad

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Análisis de Confiabilidad

Índices de Confiabilidad Objetivo: con base en datos históricos calcular la probabilidad de pérdida de servicio en el futuro

Pasado

Futuro

Falla Operación

Falla Hoy

Análisis estadístico de fallas (de todos los componentes)

Predicción del comportamiento del sistema para diferentes escenarios

Análisis de Confiabilidad

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t

Resultados de Confiabilidad

Análisis de Confiabilidad

Para cada carga / generador: Fi, Pri, Ti, Pi, Wi, Ci

Por carga / para el sistema total:

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F

1/año

Frecuencia esperada de interrupción del suministro

Pr

min/año

Probabilidad esperada de interrupción

T

H

Duración promedio de interrupciones

P

MW/año

Potencia esperada interrumpida / potencia no suministrada

W

MWh/año

Energía No Suministrada (ENS)

C

$/año

Costo esperado de interrupción del suministro

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Resultados de Confiabilidad Sistema Total: SAIFI, CAIDI, SAIDI, ASAI Ftot, Prtot, Ttot, Ptot, Wtot, Ctot

Para cada carga / generador: Fi, Pri, Ti, Pi, Wi, Ci

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Análisis de Confiabilidad

Resultados de Confiabilidad Sistema Total: Ftot, Prtot, Ttot, Ptot, Wtot, Ctot Para cada carga / generador: Fi, Pri, Ti, Pi, Wi, Ci Causas de las interrupciones: • del sistema total • de una / varias carga(s) • de uno / varios generador(es) Componente

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F

T

Pr

P

W

C

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

Análisis de Confiabilidad

Resultados de Confiabilidad 

Diagrama Unifilar  Funciones personalizadas (variables desplegadas, dígitos)  Coloración de acuerdo a los resultados de confiabilidad



Tablas  Funciones de ordenamiento  Funciones de Zoom  Copiar-Pegar a otros programas externos (ej. Excel)



Gráficas    

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Múltiples ventanas gráficas Múltiplos gráficos en una ventana Diversas características útiles (color, ancho,...)

Funciones de Copiar -Pegar

Análisis de Confiabilidad

Contenido  Introducción al Análisis de Confiabilidad  Comparación entre Análisis de Confiabilidad y Contingencias  Índices de Confiabilidad  Proceso de Cálculo  Modelado de Sistemas para Análisis de Confiabilidad  Modos de Falla  Aplicaciones del Análisis de Confiabilidad

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Análisis de Confiabilidad

Proceso de Análisis Características del Sistema (interacción de los componentes)

Datos de Confiabilidad de cada componente Análisis de Confiabilidad

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Índices de Confiabilidad • del sistema total • para cada carga • para cada generador

Análisis de Confiabilidad

Proceso de Cálculo – Ejemplo de Falla

Subestación R

Seccionador (cerrado, abierto) R

Seccionador controlado remotamente Interruptor

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R

R

Análisis de Confiabilidad

Proceso de Cálculo – Ejemplo de Falla

Subestación R

Seccionador (cerrado, abierto) R Seccionador controlado remotamente Interruptor

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R

Zona Fuera de servicio

R

Análisis de Confiabilidad

Proceso de Cálculo – Ejemplo de Falla

Subestación R

Seccionador (cerrado, abierto) R Seccionador controlado remotamente Interruptor

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R

R

Zona Disparada Zona desconectada después de las maniobras remotas (ej. 15 minutos)

Análisis de Confiabilidad

Proceso de Cálculo – Ejemplo de Falla Subestación R

Seccionador (cerrado, abierto) R Seccionador controlado

remotamente Interruptor

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R

R

Zona disparada Zona desconectada después de las maniobras remotas (ej. 15 minutos) Zona desconectada después de las maniobras locales (ej. 2 horas)

Análisis de Confiabilidad

Proceso de Cálculo Análisis de Efecto de Fallas



Reacciones automáticas del sistema de potencia ante fallas  Relés de sobrecorriente, fusibles, relés de distancia, interruptores



Aislamiento de la Falla  Seccionadores



Restauración de la Potencia (Servicio)    

 

Reconfiguración de la Red Detener labores de mantenimiento Redespacho de la Generación Entrada de equipos de respaldo y reserva

Deslastre (eyección) de carga, transferencia de carga: por sobrecarga o por bajo voltaje Análisis del estado de la red  Flujo de carga AC (cálculo completo de flujo de carga)  Flujo de Carga DC  Chequeo de conexión (límites de cargabilidad despreciables)

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Análisis de Confiabilidad

Métodos de Cálculo 

Simulación Monte Carlo • • •



Método Analítico de Markov • • •

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No hay límites para los modelos estocásticos Alta demanda computacional Resultados inexactos

Tipos de falla constantes Mucho más rápido que las simulaciones Monte Carlo Resultados exactos

Análisis de Confiabilidad

Markov - Montecarlo

“A Monte Carlo simulation has several advantages when compared to an analytical simulation. One, as previously mentioned, is the ability of a Monte Carlo simulation to produce a distribution of possible results rather the expected value alone. Another is the ability to easily model component parameters as random variable characterized by probability distribution functions rather than as constant values. A Monte Carlo simulation can also more easily model complex system behavior such as nonexclusive events, cascading failures, conditional probabilities and so forth.

A Monte Carlo simulation has several disadvantages when compared to an analytical simulation. Perhaps the most significant is computational intensity. While an analytical simulation only needs to simulate a single expected year, a Monte Carlo simulation typically needs to simulate hundreds of random year. Another disadvantage is imprecision. Even with a large number of simulation years, multiple Monte Carlo simulations will still produce slightly different answers. This lack of precision hampers the ability to perform sensitivity analysis, compute gradients and quantify the impact of small changes to large systems.”

Electric Power Distribution Reliability, Richard E. Brown, Pág 190.

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Análisis de Confiabilidad

Contenido  Introducción al Análisis de Confiabilidad  Comparación entre Análisis de Confiabilidad y Contingencias  Índices de Confiabilidad  Proceso de Cálculo  Modelado de Sistemas para Análisis de Confiabilidad  Modos de Falla Aplicaciones del Análisis de Confiabilidad

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Análisis de Confiabilidad

Modelado de la Red El análisis de confiabilidad necesita una representación detallada de la red. Con base en el modelo del flujo de carga, la siguiente información tiene que ser agregada:

       

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Estadística de fallas para los elementos de la red (frecuencia promedio y duración de las fallas en el pasado) Topología de las subestaciones (barraje simple, barraje doble,…)

Dispositivos de interrupción: seccionadores, interruptores, acoples Duración de las operaciones de apertura / cierre (automáticas / controladas remotamente / locales) Conceptos especiales de protección (diferencial, funciones de respaldo) Puesta a tierra del sistema (directa/ compensada/ aislada) Características de carga / generación Modelado de costos de interrupción

Análisis de Confiabilidad

Datos de Entrada – Elementos

Un sistema de potencia esta conformado por miles de componentes (transformadores, cables, interruptores, fusibles,…)  La confiabilidad de cada componente del sistema de potencia puede ser descrita por una serie de parámetros de confiabilidad Tal vez los mas importantes son: 

• •

la tasa de fallas del componente l y el tiempo de reparación del componente TR

l, TR l, TR l, TR l, TR

l, TR

l, TR

l, TR l, TR l, TR l, TR l, TR

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Análisis de Confiabilidad

Datos de Entrada - Elementos Componente = Unidad mas pequeña considerada dentro del cálculo de confiabilidad (línea, cable, transformador, generador, máquina de inducción, barraje, seccionador, interruptor, acople...)

Un componente tiene sus propios datos de confiabilidad.

Datos de Confiabilidad del Componente: Componente: …

Estadísticas de Falla

Tipo: …

Ejemplo - Tipo: Línea Aérea, 110 kV • Frecuencia de falla (por año por unidad de longitud): F = 0.1 1/(km*año) • Duración de la reparación: 10 h

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Análisis de Confiabilidad

Modelo de Líneas y Transformadores

    

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Interrupción estocástica independiente Interrupción planeada Mantenimiento Desconexión Manual Falla a tierra

Análisis de Confiabilidad

Modelo de los Elementos de Protección        

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Interrupción estocástica independiente Interrupción Planeada Interrupción del Mantenimiento Desconexión Manual Falla a Tierra Apertura no intencional Falla de la protección Sobrealcance de la Protección

Topología de la Red y Equipos de Desconexión (suicheo)

Análisis de Confiabilidad





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Grado de modelado usual: • Topología normal de la red • Condición de carga máxima (1 condición de carga) Modelado de elementos en operación • Datos de puesta a tierra para cálculo de fallas • asimétricas Normalmente no modelado: Elementos de desconexión • • Elementos de reserva • Datos estadísticos de confiabilidad Comportamiento en el tiempo de las cargas •

Análisis de Confiabilidad

Topología de la Red y Equipos Desconexión (suicheo) Modelo Detallado: Los equipos de interrupción han sido agregados al proyecto.

Modelo Simplificado: Los equipos de interrupción solo se consideran durante el cálculo.

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Análisis de Confiabilidad

Datos de Entrada



Tipo de elementos de desconexión:  Protección automática: protección de distancia, protección de sobrecorriente, etc.  Equipos de desconexión controlados remotamente: apertura / cierre con control remoto desde el centro de control  Equipos de desconexión operados localmente



Tiempos de desconexión (suicheo)  Tiempo en que se llevan a cabo las operaciones de desconexión controladas remotamente.  Tiempo que en se llevan a cabo las operaciones de desconexión en forma local (puede ser diferente en cada subestación)

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Análisis de Confiabilidad

Modelo de la Carga - Características Estado de Carga

1

2

3

4

Partes del Tiempo

10%

40%

20%

30%

Característica 1

90%

80%

40%

50%

Característica 2

100%

100%

100%

100%

:

:

:

:

30%

20%

60%

20%

: Característica 8

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Análisis de Confiabilidad

Modelo del Generador



Prioridad de Operación •



Prioridad de Arranque •

   

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Los generadores con baja prioridad son apagados primero Los generadores con alta prioridad de arranque son encendidos primero

Gradiente de potencia (% de Pmáx /minuto) Tiempo de arranque (h) Probabilidad de falla en el arranque (-) Tiempo de re-arranque después del arranque fallido (Tiempo de Reactivación) (h)

Análisis de Confiabilidad

Contenido  Introducción al Análisis de Confiabilidad  Comparación entre Análisis de Confiabilidad y Contingencias  Índices de Confiabilidad  Proceso de Cálculo  Modelado de Sistemas para Análisis de Confiabilidad  Modos de Falla  Aplicaciones del Análisis de Confiabilidad

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Análisis de Confiabilidad

Modos de Falla



Fallas Simples • • • • • • •



Fallas Múltiples • • • • •

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Falla independiente, simple de corta duración Falla independiente, simple de larga duración Desconexión manual, retardada Desconexión manual, inmediata Fallas de modo común Falla línea a tierra en sistemas aislados Apertura no intencional del interruptor Fallas independientes múltiples Falla independiente e interrupción planeada Fallas múltiples a tierra en sistemas aislados Falla independiente + falla de la protección Falla independiente + sobrealcance de la protección

Análisis de Confiabilidad

Fallas Independientes Simples

Cortocircuito en un componente Disparo correcto de la protección

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Causas Posibles:

Datos:

• Daños por excavaciones

• Frecuencia en 1/año o 1/(km año)

• Mal aislamiento • Tormentas

• Duración de la reparación en h

• Árboles

…para salidas cortas y largas

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Desconexiรณn Manual

Ejemplo para el tipo b): Se requiere la desconexiรณn inmediata

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Análisis de Confiabilidad

Fallas de modo común

Datos: • Frecuencia (1/año) • Duración de la reparación (h) Definición:

Ejemplos:

Ocurrencia simultánea de dos o mas fallas debido a una sola causa común

• Rayos sobre torres multi-circuitos • Daño de postes con múltiples circuitos debido a accidentes vehiculares / árboles / tormentas • Daño de múltiples cables debido a trabajos de excavaciones

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Análisis de Confiabilidad

Falla Independiente junto con Falla de la Protección

Función de Respaldo Falla de la Protección Datos del componente con falla independiente: Causas Posibles: • Frecuencia (1/año) • Duración de la reparación (h)

• Fallas en los ajustes de la protección

Datos del interruptor que falla:

• Falla del voltaje auxiliar de suministro

• Probabilidad (-)

• Falla del equipo auxiliar • Falla del Interruptor

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Análisis de Confiabilidad

Protección de Sobrecarga

Cortocircuito en la línea 2

• Disparo de la Protección • La línea 1 debe tomar la carga completa • Sobrecarga

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Protección de Sobrecarga: la línea 1 es desconectada

Análisis de Confiabilidad

Deslastre (eyección) de Carga

  

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La sobrecarga detectada es eliminada por deslastre de carga Se debe definir la prioridad de cada carga Suministro parcial

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Análisis de Confiabilidad

Aplicaciones del Análisis de Confiabilidad (1)



Análisis de puntos débiles  



Comparación entre diferentes variantes de planeación  





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Priorización de aquellas acciones de mantenimiento con alto impacto en el sistema Optimización económica entre mantenimiento y confiabilidad aceptable

Comparación entre diferentes configuraciones de la red 



Una alternativa de bajo costo necesariamente significa mala confiabilidad?

Modernización y simplificación de redes manteniendo una confiabilidad aceptable (optimización económica)

Importancia de los componentes para la planeación del mantenimiento centrado en la confiabilidad 



Causas de interrupciones / costo de interrupción Comparación de medidas remediales

Ejemplo, alimentador en anillo / alimentador radial

Comparación entre diferentes topologías de subestaciones

Análisis de Confiabilidad

Aplicaciones del Análisis de Confiabilidad (2)

 

Valoración del reemplazo de líneas aéreas por sistemas subterráneos Confiabilidad de la conexión de una unidad de generación a la red 



Beneficios para los usuarios ante un cambio en la red 



Análisis de nuevas ofertas y tarifas para usuarios especiales

Comparación de escenarios para automatización de redes de distribución (desconectadores controlados remotamente) 

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Conocimiento acerca del costo de interrupción de los usuarios

Pago de penalizaciones para los diferentes contratos de suministro 



Comparación de los costos de inversión contra los costos de interrupción por usuario

Comparación de la conexión a la red de diferentes usuarios 



Costo de la interrupción de potencia suministrada

Soluciones Iguales o mejores con menos tecnología primaria

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Gracias CĂŠsar A. Gallego S. cagallegos@gmail.com Cel. 302 307 1111

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