1 “OPTIMIZACION DE REDES DE MEDIA TENSION MEDIANTE EL USO DE HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES Y PROPUESTAS DE RECONFIGURACION A CIRCUITOS DE MEDIA TENSION, EJEMPLO: RED DE 13,8 KV AREA ATLIXCO, ZONA MATAMOROS” INSTITUTO TECNOLOGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS MONTERREY TESIS QUE PRESENTA ERIC ORLANDO HERNANDEZ LOPEZ NOVIEMBRE 2008

2 INDICE CAPITULO 1 Introducción CAPITULO 2 Definición del problema CAPITULO 3 La planeación y optimización del sistema eléctrico de Distribución. CAPITULO 4 Sistemas de Distribución de Media Tensión CAPITULO 5 Optimizaciones en Feederall. CAPITULO 6 Recomendaciones y conclusiones BIBLIOGRAFÍA

3 CAPITULO 1.- INTRODUCCION

4 * Zona Matamoros: integrada por los Departamentos de Distribución, Comercial, Administración, Personal y Servicios, Medición e Informática. * Departamento de Distribución: formado por tres Áreas de Distribución, Atlixco, Matamoros y Acatlán. * Zona Matamoros: utiliza dos tensiones de voltaje en media tensión, 34,5 KV utilizada para los servicios industriales o comerciales mayores a 200 KVA y 13,8 KV para los servicios menores a 200 KVA en los cuales se encuentran la mayor parte de los servicios residenciales. * Área de Distribución Atlixco, está ubicada en el sur del Estado de Puebla, cubre una extensión territorial de aproximadamente 480 Km 2 y suministra el servicio de energía eléctrica a 62,674 clientes en 103 poblaciones. El sistema de distribución de ésta Área Atlixco está formado por: - 3 líneas de subtransmisión en 115 KV - 1 Subestación de 115/34,5/13,8 KV urbana/rural llamada METEPEC - 1 Subestación de 34,5/13,8 KV rural llamada NEALTICAN - 1 Subestación de 115/13,8KV urbana/rural llamada ATLIXCO - 4 Transformadores de Potencia Km de línea de media tensión con troncales y ramales Km de línea de baja tensión Transformadores de Distribución

5 * De las 3 Subestaciones del Área Atlixco, dos son consideradas como urbana/rural y 1 subestación rural. * Subestación urbana/rural Atlixco: con 1 Transformador de Potencia con reducción de 115/13,8 KV y 3 circuitos de distribución de 13,8 KV * Subestación urbana/rural Metepec: con 1 Transformador de Potencia de 115/34,5 KV y 2 circuitos y 1 Transformador de Potencia de 115/13,8 KV con 4 circuitos de distribución. * La subestación rural es Nealtican alimentada por un circuito de la Subestación Puebla Poniente, con reducción de 34,5/13,8 KV y dos circuitos de distribución.

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7 CAPITULO 2. DEFINICION DEL PROBLEMA El crecimiento de nuestros clientes ha ido subiendo considerablemente durante los últimos años y debido a que en la Zona Matamoros no se cuenta con un plan de construcción de líneas que indique cómo y por donde se debe construir, el crecimiento de las instalaciones ha sido de manera arbitraria, es decir, se ha ido construyendo a partir de la distancia más corta del circuito existente al nuevo servicio a alimentar sin importar de cierta forma la longitud del circuito así como su demanda existente actual, lo cual puede provocar sobrecarga en los alimentadores existentes, conductores no adecuados para la demanda empleada, además de tener invasión de las áreas de influencia entre subestaciones y entre los mismos circuitos, operando el sistema con mayores pérdidas técnicas que las necesarias. Lo anterior representa un problema muy grande para Comisión Federal de Electricidad de tal forma que le impide dar un servicio de energía eléctrica con la calidad y confiabilidad que los clientes se merecen. En este caso particular vamos a revisar a los circuitos de 13,8 KV de las Subestaciones Atlixco y Metepec.

8 Figura 1.- En esta figura se observa que el área de influencia de los circuitos es mayor al establecido dentro de los parámetros de optimización (de 3 a 5 Km de longitud). 43,884 Km 24,271 Km N S E O SUBESTACION ATLIXCO SUBESTACION METEPEC

9 Figura 2.- Circuitos de distribución de las subestaciones Atlixco y Metepec en 13,8 KV. 43,884 Km 24,271 Km N S E O SUBESTACION ATLIXCO SUBESTACION METEPEC

10 ALCANCE La planeación de distribución es el proceso de identificación y selección de diferentes opciones. Si no existen razones, no hay razón para planear. La planeación de distribución implica la determinación de las adiciones de capacidad más económicas y de los cambios a la configuración de los sistemas requeridos para satisfacer las necesidades de los clientes. El alcance de este trabajo será el plantear una propuesta para reconfigurar un sistema de media tensión con los criterios básicos de planeación, definiendo en caso de ser necesario, la ubicación de una nueva subestación con su determinado número de alimentadores, el calibre y trayectoria de los circuitos que se requieran, las instalaciones a ser retiradas y/o reubicadas y las redes a recalibrar para poder operar con criterios de rentabilidad y calidad en el suministro de energía eléctrica hacia nuestros clientes. Este trabajo abarcará la Planeación de las redes de Distribución de 13,8 KV que son responsabilidad del Área de Distribución Atlixco de la Zona de Matamoros. Con la obtención de estos resultados se mejorará la calidad del servicio de energía eléctrica, se tendrá mayor seguridad con los colaboradores y se podrán reducir las pérdidas técnicas del sistema.

11 En base a lo anterior, se podrá hacer la propuesta para los siguientes puntos: - Reconfiguración de circuitos - Instalación de más alimentadores - Construcción de nuevas subestaciones - Recalibración del conductor. A partir de estos estudios se podrá obtener el porcentaje Costo/Beneficio, que será el que nos indicará la eficiencia de este proyecto, además de obtener: - Máxima confiabilidad de nuestras instalaciones, disminuyendo el índice del Tiempo de Interrupción por Usuario (TIU). - Mayor calidad en el servicio hacía nuestros clientes. - Mayor seguridad para nuestros colaboradores, al tener bien definidas las áreas de operación de nuestros circuitos.

12 METODOLOGIA El método a emplear para el desarrollo de este trabajo será partiendo de la información que nos proporcionan los sistemas existentes de CFE, entre los cuales se pueden mencionar los siguientes: -SIMOCE, SIGED, SIAD y otros sistemas como FEEDERALL y EEPRI. Con ayuda de estas herramientas computacionales se pueden realizar los estudios necesarios para hacer las propuestas de reconfiguración de los circuitos, de tal forma que pudieran contar con las siguientes características de operación: 1.- AREAS DE SERVICIO DE SUBESTACIONES a) Radio de cobertura de las subestaciones <= 3,75 Km b) Distancia entre subestaciones <= 7,5 Km 2.- REVISION DEL AREA DE SERVICIO DEL CIRCUITO: a) Que sea exclusiva (que no esté invadida por otros circuitos) b) Que sea contigua con áreas de otros alimentadores (enlaces) c) Que la trayectoria de la distribución sea la más adecuada 3.- ANALISIS: a) Demanda de 3500 KW a 5000 KW por circuito b) Regulación <= 5% c) Longitud por circuito <= 3,75 Km d) Número de usuarios por circuito de 3000 a 5000

13 CAPITULO 3.- PLANEACION DE LOS SISTEMAS ELECTRICOS DE DISTRIBUCION SECUENCIA PARA LA OPTIMIZACIÓN DE CIRCUITOS. 1. Revisión del área de servicio de la Subestación: radios y distancias. 2. Revisión del área de servicio del circuito: exclusiva, contiguas, trayectorias. 3. Análisis de los circuitos: demanda, número de usuarios, conductores, longitud. 4. Estudios en simulador: pérdidas de potencia y caída de tensión. 5. Cuantificaciones los costos de la red a valores presentes. 6. Comparación de resultados de la condición actual y optimizados. 7. Evaluación de las propuestas y selección de la mejor alternativa. 8. Elaboración del Estudio Técnico para efectuar las obras propuestas. 9. Programación y ejecución. 10. Evaluación del comportamiento real.

14 CAPITULO 4.- SISTEMAS DE DISTRIBUCION DE MEDIA TENSION PARAMETROS ELECTRICOS DE LOS CIRCUITOS DE 13,8 KV. VALORES OBTENIDOS DURANTE EL AÑO DE 2007

15 POSICIONAMIENTO EN BASE A LOS PARAMETROS ELECTRICOS DE LOS CIRCUITOS DE 13,8 KV.

16 Circuito ATC-4010 PANDAL 1.- Demanda muy cercana a los 5 MW (4.612 MW). 2.- Caída de tensión mayor al 5% (8.921% CT), incorrecto. 3.- Pérdidas muy cercanas a 400 MWH/AÑO (370, KWH/AÑO). 4.- Longitud de la troncal Km. 5.- Longitud de ramales Km. 6.- Número de usuarios menor a 5000 (3483 usuarios), más 2700 usuarios. Circuito ATC-4020 EL CRISTO 1.- Demanda menor a los 5 MW (2.900 MW), correcto. 2.- Caída de tensión menor al 5% (3.096% CT), correcto. 3.- Perdidas menores a 400 MWH/AÑO (183, KWH/AÑO), correcto. 4.- Longitud de la troncal Km. 5.- Longitud de ramales Km. 6.- Número de usuarios menor a 5000 (4561 usuarios), correcto Circuito ATC-4030 CENTRO 1.- Demanda menor a los 5 MW (2.797), correcto. 2.- Caída de tensión menor al 5% (2.690% CT), correcto. 3.- Perdidas menores a 400 MWH/AÑO (173, KWH/AÑO), correcto. 4.- Longitud de la troncal Km. 5.- Longitud de ramales Km. 6.- Número de usuarios menor a 5000 (4,700 usuarios). OBSERVACIONES

17 Circuito MEC-4310 TLAMAPA 1.- Demanda menor a los 5 MW (3.183 MW), correcto. 2.- Caída de tensión menor al 5% (2.479% CT), correcto. 3.- Perdidas menores a 400 MWH/AÑO (157, KWH/AÑO), correcto. 4.- Longitud de la troncal 6.84 Km. 5.- Longitud de ramales Km. 6.- Número de usuarios mayor a 5000 (5,248 usuarios), necesario disminuir el número. Circuito MEC-4320 CIUDAD 1.- Demanda menor a los 5 MW (2.100 MW), correcto. 2.- Caída de tensión menor al 5% (1.163% CT), correcto. 3.- Perdidas menores a 400 MWH/AÑO (47, KWH/AÑO), correcto. 4.- Longitud de la troncal 2.92 Km. 5.- Longitud de ramales 8.96 Km. 6.- Número de usuarios menor a 5000 (4,678 usuarios), correcto.

18 Circuito MEC-4330 TOCHIMILCO 1.- Demanda arriba de lo permitido que son los 5 MW (5.216 MW). 2.- Caída de tensión mayor al 5% (10.036% CT), incorrecto. 3.- Perdidas mayores a los 400 MWH/AÑO (561, KWH/AÑO). 4.- Longitud de la troncal Km., formado en mayoría por clientes y poblaciones del tipo rural. 5.- Longitud de ramales Km. 6.- Número de usuarios mayor a 5000 (6,535 usuarios). Circuito MEC-4340 FABRICAS 1.- Demanda alejada a los 5 MW (2.300 MW), correcto. 2.- Caída de tensión mayor al 5% (4.660% CT), incorrecto. 3.- Perdidas menores a 400 MWH/AÑO (253, KWH/AÑO), correcto. 4.- Longitud de troncal Km., correspondiente a un circuito en su mayoría de tipo rural. 5.- Longitud de ramales Km. 6.- Número de usuarios menor a 5000 (4,551 usuarios), correcto.

19 PROPUESTAS Circuito ATC-4010 PANDAL 1.- Demanda muy cercana a los 5 MW (4,612 MW), por lo que será necesario quitarle carga, instalando un nuevo alimentador, repartiendo la carga del circuito, o pasando parte de la red del circuito al MEC Es importante señalar que está en proyecto ya autorizado un fraccionamiento sobre este circuito con 2700 casas. 2.- Caída de tensión mayor al 5% (8.921% CT), es necesario mejorar este valor a través de la recalibración de conductores o la instalación de bancos de capacitores o reguladores. 3.- Perdidas muy cercanas a los 400 MWH/AÑO (370, KWH/AÑO), es conveniente revisar los calibres de las líneas de Distribución. 4.- Longitud de la troncal Km, pero tiene Km. de ramales, lo cual hace una trayectoria muy larga y con la instalación del nuevo alimentador se reduciría esta distancia. 5.- Número de usuarios de 3,483, sin embargo entrarán en operación 2700 usuarios más.

20 Circuito MEC-4330 TOCHIMILCO 1.- Demanda por arriba de lo establecido que son los 5 MW (5,216 MW) por lo que será necesario quitarle carga. 2.- Caída de tensión mayor al 5% (10.036% CT), es necesario realizar una reconfiguración del circuito, observado las trayectorias redundantes, así como los calibres de los conductores. 3.- Longitud de la troncal Km, formado en mayoría por clientes y poblaciones del tipo rural, se propone la construcción de un nuevo alimentador para separar tanto a los usuarios como a la carga de este circuito. 4.- Perdidas mayores a los 400 MWH/AÑO (561, KWH/AÑO), es conveniente revisar los calibres de las líneas de Distribución 5.- Número de usuarios mayor a 5000 (6,535 usuarios), se mejoraría con la instalación de un nuevo alimentador y la separación del circuito.

21 CAPITULO 5.- FEEDERALL Para poder realizar las corridas de flujo de los circuitos, se empleará el sistema FEEDERALL, para el cual será necesario realizar los siguientes pasos: 1.- Obtener una cartografía digital de las poblaciones a optimizar. 2.- Realizar el levantamiento de atributos, de los circuitos de Distribución 3.- Transferir atributos al SIGED 4.- Transferir base de datos al FEEDERALL 5.- Preparar información para el FEEDERALL 6.- Realizar las corridas de flujo en FEEDERALL

22 Para realizar los estudios de caída de tensión y pérdidas eléctricas en Feederall, se debe contar con los siguientes datos CONCEPTO demanda máxima KW demanda máxima KVA factor de carga factor de pérdidas distribución de la carga distribución de la carga spot Podemos obtener entre otros, los siguientes resultados:CONCEPTO % Caída de Tensión pérdidas de potencia (KW) pérdidas de energía (KWH/año)

23 VALORES ACTUALESVALORES FINALES NOTA: CONSIDERAR 2700 USUARIOS NUEVOS EN EL CIRCUITO ATC-4040 LOS MOLINOS. CIRCUITO ATC-4010 PANDAL OBRA A REALIZAR: 1.- INSTALACION DE NUEVO ALIMENTADOR 2.- CONSTRUCCION DE 7 KM DE LINEA DE MEDIA TENSION 3.- RECALIBRACION DE 667 MTS DE LINEA DE MEDIA TENSION

24 VALORES ACTUALES CIRCUITO ATC-4020 CRISTO

25 VALORES ACTUALES CIRCUITO ATC-4030 CENTRO

26 VALORES ACTUALES CIRCUITO MEC-4310 TLAMAPA

27 CIRCUITO MEC-4320 CIUDAD VALORES ACTUALES

28 CIRCUITO MEC-4330 TOCHIMILCO (1) VALORES ACTUALES OBRA A REALIZAR: 1.- INSTALACION DE NUEVO ALIMENTADOR MEC-4350 METEPEC 2.- CONSTRUCCION DE 53 MTS DE LINEA DE MEDIA TENSION 3.- RECALIBRACION DE 7 KM DE LINEA DE MEDIA TENSION 4.- INSTALACION DE UN BANCO DE REGULADORES VALORES FINALES

29 CIRCUITO MEC-4330 TOCHIMILCO (2) VALORES ACTUALES OBRA A REALIZAR: 1.- RECALIBRACION DE 7 KM DE LINEA DE MEDIA TENSION 2.- INSTALACION DE UN BANCO DE REGULADORES VALORES FINALES

30 CIRCUITO MEC-4340 FABRICAS VALORES ACTUALES

31 VALORES ACTUALES VALORES FINALES

32 EVALUACION ECONOMICA ATC-4010 PANDAL Indicadores Económicos de la Evaluación Económica de CFE al año 30 Beneficio/Costo :1,21 V.P.N. (miles $): 510,10 TIR (%) : 16,45

33 EVALUACION ECONOMICA MEC-4330 TOCHIMILCO Y MEC-4350 METEPEC (1) Indicadores Económicos de la Evaluación Económica de CFE al año 30 Beneficio/Costo:1,07 V.P.N. (miles $): 120,73 TIR (%): 14,31

34 EVALUACION ECONOMICA MEC-4330 TOCHIMILCO (2) Indicadores Económicos de la Evaluación Económica de CFE al año 30 Beneficio/Costo :1,14 V.P.N. (miles $) :170,58 TIR (%) :15,44

35 CONCLUSIONES ESTE ESTUDIO FUE HECHO CON LA INTENCION DE MEJORAR LOS VALORES OPERATIVOS DE CAIDA DE TENSION Y PERDIDAS DE ENERGIA EN LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCION A TRAVES DEL USO DE HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES, EN ESTE CASO PARTICULAR DEL FEEDERALL. SE SABE QUE EN OCASIONES ESOS VALORES PUEDEN MEJORAR CON LA INSTALACION DE UN BANCO DE CAPACITORES, UN BANCO DE REGULADORES O LA RECALIBRACION DEL CONDUCTOR DE ALGUNA PARTE DEL CIRCUITO, SIN EMBARGO ES NECESARIO REALIZAR EL ESTUDIO ADECUADO PARA SABER QUE OPCION ES LA QUE NOS PUEDE DAR EL BENEFICIO BUSCADO YA QUE NO SIEMPRE SE OBTIENEN VALORES POSITIVOS. DE ESTE TRABAJO SE OBTUVIERON VARIAS CONCLUSIONES IMPORTANTES, QUE PUEDEN AYUDAR A MEJORAR LA CALIDAD DE NUESTRAS INSTALACIONES, LAS CUALES SON:

36 CON LOS TRABAJOS PROPUESTOS DE RECONFIGURACION A 2 CIRCUITOS QUE SON ATC-4010 PANDAL Y MEC-4330 TOCHIMILCO, SE PODRIA OBTENER UNA DISMINUCION EN EL VALOR DE PERDIDAS A NIVEL DE MEDIA TENSION EN 13,8 KV DE 502 MWH/AÑO LO QUE REPRESENTARIA UN VALOR DEL 29% DEL VALOR TOTAL A NIVEL AGENCIA. LO ANTERIOR REPRESENTA ALREDEDOR DE $294, ANUALES. POR OTRA PARTE TODOS LOS CIRCUITOS QUEDARIAN CON UN VALOR DE CAIDA DE TENSION MENOR AL 5%, LO CUAL REPERCUTIRIA DIRECTAMENTE EN LA CALIDAD DEL SERVICIO A NUESTROS CLIENTES.

37 EN FORMA PARTICULAR EL CIRCUITO ATC-4010 DISMINUYE SU VALOR DE PERDIDAS EN UN VALOR DEL 54%, DE 370 MWH/AÑO A 170 MWH/AÑO Y SE MEJORA LA CAIDA DE TENSION DE 8.91% A 4.578%. LO ANTERIOR CON LAS SIGUIENTES OBRAS: 1.- INSTALACION DE UN NUEVO ALIMENTADOR 2.- CONSTRUCCION DE 7 KMS DE LINEA DE MEDIA TENSION 3.- RECALIBRACION DE 667 MTS DE LINEA DE MEDIA TENSION LOS INDICADORES ECONOMICOS SON: INVERSION: $ 2,222, Beneficio/Costo :1,21 V.P.N. (miles $): 510,10 TIR (%) : 16,45

38 PARA EL CIRCUITO MEC-4330 DISMINUYE SU VALOR DE PERDIDAS EN UN VALOR DEL 30%, DE 575 MWH/AÑO A 401 MWH/AÑO Y SE MEJORA LA CAIDA DE TENSION DE % A 4.715%. LO ANTERIOR CON LAS SIGUIENTES OBRAS: 1.- INSTALACION DE UN NUEVO ALIMENTADOR 2.- CONSTRUCCION DE 53 MTS DE LINEA DE MEDIA TENSION 3.- RECALIBRACION DE 7 KMS DE LINEA DE MEDIA TENSION 4.- INSTALACION DE UN BANCO DE REGULADORES LOS INDICADORES ECONOMICOS SON: INVERSION:$1,653, Beneficio/Costo:1,07 V.P.N. (miles $): 120,73 TIR (%): 14,31

39 SE PUDO OBSERVAR TAMBIEN, DESPUES DE LAS CORRIDAS DE FLUJO EN FEEDERALL QUE LA INSTALACION DE UN BANCO DE CAPACITORES NO SIEMPRE ES LA OPCION ADECUADA, YA QUE NO BENEFICIA EN NADA EN CUANTO A MEJORAR LA CAIDA DE TENSION Y LAS PERDIDAS DE ENERGIA. OTRO DE LOS CASOS A ESTUDIAR ES LA RELACION BENEFICIO/COSTO DE LOS PROYECTOS, YA QUE AUNQUE CFE NO ES UNA EMPRESA DE LUCRO, SI ES MUY IMPORTANTE OBTENER RESULTADOS ECONOMICOS DE LOS TRABAJOS QUE SE REALICEN. EN ESTE PROYECTO NO SE TIENEN BENEFICIOS A UN CORTO PLAZO PERO SI SE PODRIA TENER MEJOR CALIDAD EN EL SUMINISTRO DE ENERGIA ELECTRICA.

40 VALORES ACTUALES DE PERDIDAS A NIVEL ZONA MATAMOROS

41 DISMINUCION DEL 5% DEL TOTAL DE PERDIDAS DE LA AGENCIA ATLIXCO. PERDIDAS TOTALES DE LA AGENCIA ATLIXCO.

42 CASO PRACTICO CAIDA DE TENSION DE FEEDERALL = 5.232% CAIDA DE TENSION DE FEEDERALL = 4.259%

43 TEMAS PARA INVESTIGACION ALGUNOS DE LOS ESTUDIOS QUE PUEDEN COMPLEMENTAR ESTE TRABAJO DE TESIS SON: 1.- ESTUDIOS DE CORTO CIRCUITO PARA ASEGURAR LA CALIDAD DEL SERVICIO DE NUESTROS CLIENTES Y NO AFECTARLOS AL REALIZAR ALGUN MOVIMIENTO EN LA RED. 2.- ESTUDIO PARA LA COORDINACION DE PROTECCIONES. 3.- REALIZAR EL ESTUDIO DEL CONDUCTOR ECONOMICO PARA LAS CONDICIONES PROPUESTAS COMO OBRAS. 4.- ANALIZAR LOS BENEFICIOS SOBRE LA CONSTRUCCION DE SUBESTACIONES RURALES PRINICIPALMENTE EN EL CIRCUITO MEC-4330, DEBIDO A QUE ES UN CIRCUITO UTILIZADO PARA TRANSFERENCIAS DE CARGA.

44 TEMAS PARA INVESTIGACION 5. REVISAR SI EXISTEN TRAYECTORIAS REDUNDANTES O QUE SE LES PUEDA DISMINUIR LA LONGITUD. ESTO AYUDARIA A REDUCIR LA CAIDA DE TENSION POR DEBAJO DEL 5% ACEPTADO COMO OPTIMO. 6.- REALIZAR UN ESTUDIO PARA PODER VALORAR LOS DATOS QUE SE INGRESAN AL FEEDERALL, POR EJEMPLO EL FACTOR DE CARGA, DEBIDO A QUE LOS PERFILES DE LOS CIRCUITOS PUEDEN SER MUY VARIABLES DEPENDIENDO DEL HORARIO EN QUE SE TOMEN LAS LECTURAS. 7.- REALIZAR UNA INTERFAZ PARA PODER TRANSFERIR LA INFORMACION DE LOS CIRCUITOS DEL SIGED A FEEDERALL DE UNA MANERA MAS SENCILLA.

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