Métodos deterministas para planear expansión de sistemas de transmisión

Abstract

RESUMEN: La planeación de sistemas eléctricos de potencia es un problema clásico de redes eléctricas y tiene como objetivo encontrar un plan óptimo de expansión, es decir, instalar los elementos necesarios (líneas de transmisión, generadores y transformadores) en un horizonte de planeación (tiempo) predefinido, para mantener al sistema operando fuera de condiciones de sobrecarga y a un mínimo costo, esto es, que la red eléctrica sea capaz de transportar la potencia generada al menor costo posible, considerando un escenario futuro de demanda, ya que cuando la demanda incrementa, el sistema eléctrico de potencia debe ser reforzado. La planeación de la transmisión se desarrolla de manera conjunta con la planeación de la generación y tiene por objetivo minimizar los costos de inversión y de operación del sistema mediante una solución de expansión factible en los aspectos técnico, económico y financiero, satisfaciendo la demanda de energía, garantizando la confiabilidad del sistema y la calidad en el suministro. En este trabajo se desarrollan tres programas computacionales llamados PLANNING V1.0, V2.0 y V3.0 en lenguaje de programación Fortran, con los cuales se aplican diferentes modelos de planeación de la expansión de la transmisión (TEP, por sus siglas en inglés) basados en programación lineal entera mixta (PLEM), comparando las metodologías de planeación estática, dinámica o multiperíodo y de criterio de seguridad (N-1). Estas formulaciones son aplicadas a tres sistemas de prueba: Garver e IEEE 24 y 118 nodos, presentando las ventajas y desventajas en cada caso. El programa PLANNING (en sus tres versiones) realiza la construcción de los modelos de optimización matemática que ayudan a resolver el problema de TEP y trabaja en conjunto con el software AMPL (A Mathematical Programming Language) y el solver CPLEX 12.7.0.0 para encontrar en la mayoría de los casos expuestos en esta tesis soluciones óptimas globales. El resultado de la aplicación de los diferentes modelos de planeación de la expansión de sistemas de transmisión basados en PLEM es una alternativa viable desde los puntos de vista computacional y económico, sin embargo, técnicamente al estar basados en aplicaciones del modelo de flujos de corriente directa (DC, por sus siglas en inglés) no se consideran ciertos aspectos importantes de una red eléctrica, por lo que es preciso tomar acciones correctivas como invertir en más líneas o circuitos para evitar sobrecargas o instalar equipos de compensación reactiva (bancos de capacitores) en los nodos donde se presenta una regulación tensión por debajo de los límites establecidos (95%). Para determinar las acciones correctivas a los planes de expansión encontrados con PLANNING se utiliza el software MATPOWER V4.1. ABSTRACT: The planning of electrical power systems is a classic problem of electrical networks and aims to find an optimal expansion plan, that is, install the necessary elements (transmission lines, generators and transformers) in a predefined planning horizon (time) , to keep the system operating outside of overload conditions and at a minimum cost, such that, electric network is capable of transporting the power of generation at least cost possible, considering a future scenario of demand, since when demand increases, the electrical power system must be reinforced. Transmission planning is developed jointly with the generation planning with the purpose to minimize the investment and operating costs of the system through a feasible expansion solution in the technical, economic and financial aspects, supplying the energy demand, guaranteeing the reliability of the system and the quality of the electrical supply. In this work, three computer programs called PLANNING V1.0, V2.0 and V3.0 are developed in Fortran programming language, with which different transmission expansion planning (TEP) models based on mixed integer linear programming (MILP) are applied. The methodologies of static planning, dynamic or multiperiod and security criteria (N-1) are compared. These formulations are applied to three test systems: Garver, IEEE 24 and 118 buses, where advantages and disadvantages of each methodologie are presented. The PLANNING program (in its three versions) build the mathematical optimization models that help to solve the TEP problem and works together with the AMPL software (A Mathematical Programming Language) and the solver CPLEX 12.7.0.0, in the most of the cases presented in this thesis optimal global solutions are found. The application of the different planning models of TEP based on PLEM is a good alternative from the computational and economic point of view, however, technically as are based on applications of the direct current flow model, certain important aspects of an electrical network aren’t considered, so it is necessary to take corrective actions such as investing in more lines or circuits to avoid overloads or install reactive compensation equipment (capacitor banks) in the buses where a voltage regulation are presented below the established limits (95%). To determine the corrective actions to the expansion plans found with PLANNING, the MATPOWER V4.1 software is used.