TESIS DESARROLLO DE UN ALGORITMO DE INTERRELACIÓN PARA MICROREDES DE

171 Pages·2015·3.53 MB·Spanish

by  Jenny Gutierrez

Universidad de Cuenca

UNIVERSIDAD DE CUENCA

FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

“DESARROLLO DE UN ALGORITMO DE INTERRELACIÓN PARA
MICROREDES DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA”

Tesis Previa a la Obtención del Título de
Master en Sistemas Eléctricos de Potencia

AUTOR:

JUAN BAUTISTA SANANGO FERNÁNDEZ

DIRECTOR:

DR. ESTEBAN PATRICIO SAMANIEGO ALVARADO

CUENCA – ECUADOR
JUNIO - 2015

Autor: Juan Bautista Sanango Fernández 1
Universidad de Cuenca

“DESARROLLO DE UN ALGORITMO DE INTERRELACIÓN PARA
MICROREDES DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA”

RESUMEN

En un Sistema de Distribución Eléctrico toda la Potencia que recibe una
Subestación Eléctrica, desde las Centrales de Generación, es repartida a los
clientes que pertenecen al área de incidencia de la Subestación, incurriendo en
muchos casos en pérdidas de potencia en los conductores e inadecuados
niveles de calidad y confiablidad de la Energía Eléctrica. Lo expuesto
anteriormente hace que los administradores de las Redes de Distribución
desarrollen modelos y técnicas que permitan encontrar soluciones prácticas
para disminuir las pérdidas técnicas de energía y elevar sus índices de calidad
y confiabilidad. La generación distribuida basada en energías no
convencionales (parques eólicos y solares, generación con biomasa, micro-
centrales hidroeléctricas, etc) y su inserción en la Red de Distribución, ha
permitido que modelos matemáticos, como la Teoría de los Juegos
Cooperativos, puedan ser utilizados para simular intercambios cooperativos de
energía. El presente trabajo se enfoca a desarrollar un algoritmo que permita
utilizar la Teoría de los Juegos de Coalición Cooperativo de Utilidad
Transferible como una herramienta para disminuir las pérdidas de energía en
una red de distribución, formando coaliciones donde cada individuo vea
mejorado su pago (disminución de pérdidas de energía), llevando a un
beneficio para los consumidores y la satisfacción de utilizar la energía
disponible por parte de las fuentes de generación. La Micro Red del futuro será
un Sistema de Distribución concebido como una Red Inteligente capaz de
operar, controlar y gestionar, de manera automatizada, entre sus miembros, el
intercambio eficiente de la Energía Eléctrica.

Palabras Clave: Smart Grid, Microredes Eléctricas, Generación Distribuida,
Teoría de Juegos, Pérdidas de Energía, Juegos Cooperativos, Juegos de
Utilidad Transferible, Sistemas de Distribución, Coaliciones en un Juego,
Algoritmo para la formación de Coaliciones.

Autor: Juan Bautista Sanango Fernández 2
Universidad de Cuenca
“DESARROLLO DE UN ALGORITMO DE INTERRELACIÓN PARA
MICROREDES DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA”

ABSTRACT

In a power distribution system all the power receiving an electrical substation,
from power plants, it is distributed to customers who belong to the area of
incidence of the Substation, incurring many cases power losses in conductors
and inadequate levels quality and reliability of Electricity. The foregoing makes
administrators of distribution networks develop models and techniques to find
practical solutions to reduce technical losses of energy and raise their levels of
quality and reliability. Distributed generation based on non-conventional energy
sources (wind and solar farms, biomass generation, micro-hydro, etc.) and their
integration into the Distribution Network has enabled mathematical models,
such as the Theory of Cooperative Games, can be used to simulate energy
cooperative exchanges. This work focuses on developing an algorithm that
allows to use the Game Theory Cooperative Coalition of transferable utility as a
tool to reduce energy losses in a distribution network, forming coalitions where
every individual sees improved payment (decrease energy loss), leading to
consumer benefits and satisfaction of using the available energy from
generation sources. Micro Network of the future will be a distribution system
designed as an intelligent network capable of operating, controlling and
managing, in an automated manner, among its members, the efficient exchange
of Electricity.

Keywords: Smart Grid, Electric microgrids, distributed generation, Game
Theory, Loss of Energy, Cooperative Games, transferable Utility, Coalitions in a
Game, Distribution Systems, Algorithm for the formation of coalitions.

Autor: Juan Bautista Sanango Fernández 3
Universidad de Cuenca
ÍNDICE
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 10
1.1. La Red Eléctrica. ......................................................................................................... 10
1.2. Generación Distribuida. ................................................................................................. 13
1.3. Objetivos. ........................................................................................................................ 15
CAPÍTULO II: MICROREDES DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA .................................... 16
2.1. Las Redes de Distribución Convencionales. ................................................................... 16
2.2. La Red Inteligente. .......................................................................................................... 18
2.3. Evolución de las Smart Grids. ........................................................................................ 21
2.4. Generación Distribuida en los Sistemas de Distribución. .............................................. 26
2.5. Ventajas de las Smart Grids............................................................................................ 29
2.6. Componentes de las Smart Grids. ................................................................................... 31
2.7. Las Comunicaciones en las Redes Inteligentes. .............................................................. 34
2.8. Smart Grids y el Sistema Eléctrico Ecuatoriano. ........................................................... 37
CAPÍTULO III: TÉCNICAS Y MODELOS ............................................................................. 40
3.1. Introducción. ................................................................................................................... 40
3.2. Teoría de los Juegos. ...................................................................................................... 41
3.2.1. Introducción. .....................................................................................................................................41
3.2.2. Conceptos básicos de la Teoría de los Juegos. ..................................................................................42
3.2.3. La conducta de un jugador. ...............................................................................................................45
3.2.4. Función de Utilidad. .........................................................................................................................45
3.2.5. Solución y valor de solución de un juego. ........................................................................................45
3.2.6. Orden de los movimientos en el juego. .............................................................................................46
3.2.7. Herramientas de análisis de la Teoría de Juegos. ..............................................................................46
3.2.8. Juegos simétricos y asimétricos. .......................................................................................................48
3.2.9. Juegos de suma cero y de suma distinta de cero. ..............................................................................48
3.3. Equilibrio de Nash. ......................................................................................................... 49
3.4. Solución de los Juegos Cooperativos. ............................................................................. 50
3.4.1. Valor de Shapley. ..............................................................................................................................51
3.4.2. Teorema de Dubey. ...........................................................................................................................53
3.5. Ejemplos. ......................................................................................................................... 53
CAPÍTULO IV: ALGORITMO PARA EL INTERCAMBIO COOPERATIVO DE ENERGÍA.
57
4.1. Introducción. ................................................................................................................... 57
4.2. Modelo Eléctrico de la Red de Distribución. .................................................................. 58
4.2.1. Modelo del Sistema Eléctrico para un Juego Extensivo. ..................................................................58
4.2.2. Modelo de Sistema Eléctrico para un juego cooperativo. .................................................................60
4.3. Algoritmo de Formación de Coaliciones para un Juego Extensivo. ........................... 65
4.3.1. Algoritmo para la Red .......................................................................................................................68
4.3.2. Algoritmo para el cliente. ..........................................................................................................68
Autor: Juan Bautista Sanango Fernández 4
Universidad de Cuenca
4.4. Algoritmo para la formación de coaliciones en un Juego Cooperativo con Utilidad
Transferible. ................................................................................................................ 71
4.4.1. Subrutina Inicial: Intercambio no cooperativo. ..........................................................................72
4.4.2. Subrutina para el cálculo el vector de pagos. .............................................................................72
4.4.3. Subrutina para la formación de las coaliciones. .........................................................................74
4.4.4. Subrutina para el intercambio de potencia. ................................................................................77
4.4.5. ALGORITMO DE FORMACIÓN DE COALISIONES PARA EL INTERCAMBIO DE
ENERGÍA EN MICROREDES. .................................................................................................................78
CAPÍTULO V: SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS. ........................................ 81
5.1. Introducción. ................................................................................................................... 81
5.2. Simulación y resultados del algoritmo basado en juegos extensivos.............................. 81
5.3. Simulación y resultados del algoritmo basado en juegos cooperativos. ........................ 88
5.3.1. Análisis del flujo de potencia DC. .............................................................................................88
5.3.2. Verificación de la Programación del algoritmo. ........................................................................91
5.3.3. Validación del algoritmo para el intercambio cooperativo de energía. ......................................93
5.3.4. Intercambio cooperativo de una Red de Distribución típica. ...................................................101
CAPÍTULO 6: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ............................................. 110
6.1. Conclusiones .............................................................................................................. 110
6.2. Recomendaciones ...................................................................................................... 113
BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 114
ANEXO A ................................................................................................................................. 116
ANEXO B ................................................................................................................................. 129
ANEXO C ................................................................................................................................. 155
ANEXO D ................................................................................................................................. 158
ANEXO E ................................................................................................................................. 161
ANEXO F ................................................................................................................................. 166

Autor: Juan Bautista Sanango Fernández 5
Universidad de Cuenca

Autor: Juan Bautista Sanango Fernández 6
Universidad de Cuenca

Autor: Juan Bautista Sanango Fernández 7
Universidad de Cuenca

DEDICATORIA

El presente trabajo está dedicado a mi esposa
Nube Elizabeth, a mis hijos Daniela Fernanda
y Juan José, por todo el amor y afecto que
me brindan día a día, ellos son mi razón
para seguir prosperando. A mis padres
Abraham y Guadalupe, a mis Hermanos y
Sobrinos, gracias por apoyarme
y brindarme su cariño.

Juan Bautista

Autor: Juan Bautista Sanango Fernández 8
Universidad de Cuenca

AGRADECIMIENTO

Un valor muy importante de todo ser humano es la
gratitud hacia las personas que nos han
sabido apoyar, compartir y enriquecer
con sus conocimientos y consejos.
Es así que agradezco de manera especial
a mi director de tesis Dr. Esteban Samaniego
por su paciencia y apoyo para la culminación
de este trabajo, al Ing. Diego Ochoa por su ayuda y
sugerencias, al grupo de investigación de la
Escuela de Ingeniería Eléctrica,
a la Universidad de Cuenca por permitirme
formar parte de su planta docente.

A todos ustedes mil gracias.

Autor: Juan Bautista Sanango Fernández 9
Universidad de Cuenca
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN
1.1. La Red Eléctrica.

Los Sistemas Eléctricos de Potencia han ido evolucionando con el tiempo, no
tanto en sus conceptos y definiciones, sino en su tecnología, el control y la
operación de los mismos, y en este marco nuevas metodologías para sus
diseño, análisis, planificación, control y operación han ido apareciendo.

La creciente demanda de la Energía Eléctrica en los países de América Latina
y en particular del Ecuador ha obligado a que los gobiernos de turno generen
nuevas políticas en cuanto a la inversión en los sectores energéticos reflejados
en la planificación y ampliación de los sistemas de generación sobre todo del
tipo hidráulico con grandes proyectos como Mazar, Coca Codo Sinclair, etc.
para el caso del Ecuador [9].

Si bien estos proyectos generarán la mayor cantidad de energía del país hay
que considerar otros factores que intervienen en la producción y transporte de
la Energía Eléctrica, ello son los Sistemas de Transmisión Eléctrico que
permiten llevar la Energía desde las centrales eléctricas a los centros de
consumo (regiones, ciudades, etc), los cuales están generalmente ubicados
lejos de las centrales eléctricas; y los Sistemas de Distribución que llevan la
Energía directamente al consumidor final. El enlace entre los grandes Sistemas
de Transmisión y Sub-transmisión y los centros de carga lo conforman las
subestaciones eléctricas, mismas que se encuentran geográficamente más
cerca de los centros de consumo. En conclusión se puede decir que un
Sistema Eléctrico de Potencia (SEP) es un conjunto de elementos
(generadores, líneas eléctricas, transformadores, protecciones, etc), que
permite generar energía eléctrica (Sistema de Generación), transportar la
misma a los centros de consumo (Sistema de Transmisión) y distribuirla a los
consumidores finales que darán uso a esta energía (Sistema de Distribución),
comercializándola de acuerdo a las políticas, leyes y reglamentos vigentes en
ese momento (Sistema de Comercialización). En muchos países como el
Ecuador los Sistemas de Distribución y Comercialización se consideran un
único componente del SEP.

Estos sistemas pueden funcionar como un todo, es decir como un monopolio
(un único dueño de todas las componentes del SEP), o formar un mercado
eléctrico con una libre oferta y demanda pero con reglas claras y bien definidas
donde cada componente del SEP puede actuar como un individuo autónomo
en este mercado.

Si bien los sistemas de hoy en día son muy eficientes, lastimosamente estos
incurren en pérdidas energéticas que se encuentran dadas por la resistencia
que presentan las líneas eléctricas al paso del flujo de potencia. Estas
pérdidas se ven reflejadas en $/kWh, y que las empresas eléctricas
generalmente tratan de minimizar. También es importante recalcar que la
demanda de energía es aleatoria y creciente por lo que los sistemas eléctricos
Autor: Juan Bautista Sanango Fernández 10