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DESPACHO ECONOMICODESPACHO ECONOMICO
CAGS
-
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OPERACIN OPTIMA DE SISTEMASDE POTENCIA
Conlleva: Economa en la operacin. Seguridad del sistema
CAGS
combustibles fsiles. Vertimientos de agua en embalses.
Por ahora solo se analizar el primer aspecto,conocido con el nombre de: Problema del DespachoEconmico
-
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El objetivo mas frecuente del despacho
econmico, es minimizar el costo total dela generacin de potencia activa (MW) de
DESPACHO PTIMO
CAGS
,se logra alimentar todas las cargasadecuadamente.
-
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Aun cuando las plantas hidrulicas,pueden tener un costo de operacinmuy bajo, estn limitadas por la
OPERACIN OPTIMA DE SISTEMASDE POTENCIA
CAGS
disponibilidad de agua, cuando secontempla un periodo largo. Por simplicidad se iniciar analizando
plantas trmicas.
-
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Flujo de carga. Hay dos variables conocidas y
dos desconocidas por cada barra. Lasvariables conocidas son: potencia activa yreactiva para las barras PQ, la potencia activa
OPERACIN OPTIMA DESISTEMAS DE POTENCIA
CAGS
y la magnitud del voltaje en las barras PV ymagnitud y ngulo de voltaje en la barra Slack.Si se permite que las variables especificadas
previamente (potencia activa, potencia reactivay magnitud de voltaje) varen en un rango, setendran infinitas soluciones al flujo de carga.
-
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Operacin econmica de generadores en un
barraje.Costo de operacin de un generador.El principal componente del costo de operacin
DESPACHO ECONOMICO
CAGS
e un genera or es e cos o e com us e.El costo de mantenimiento es menor. El costode combustible es especialmente alto enplantas trmicas y nucleares. En plantas
hidrulicas prcticamente no tiene costo, porla facilidad de almacenar el agua.
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DESPACHO ECONOMICOLa curva de entrada-salida de una unidadtrmica, se puede expresar en millones de
kilocaloras/hora o costo de operacin ($)/horaversus salida en MW. Este costo se puededeterminar experimentalmente.
CAGS
CURVA Costo - MW
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
88.
38.6
8.9
9.2
9.5
9.8
10.1
10.4
10.7 11
11.3
11.6
11.9
12.2
12.5
12.8
13.1
MW
C
osto
-
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DESPACHO ECONOMICO
La curva anterior, tiene un punto de
MWmin, abajo del cual, puede no sereconmicamente factible despachar la
CAGS
imposible su operacin.
-
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Despacho EconmicoCURVA Costo - MW
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Costo
CAGS
8
8
.3
8
.6
8
.9
9
.2
9
.5
9
.8
10
.1
10
.4
10
.7 11
11
.3
11
.6
11
.9
12
.2
12
.5
12
.8
13
.1
MW
MWmonedabPaIC iGiii /)( +=
Gi
i
dP
dCA la pendiente de la curva de costos, se le conocecomo: Costo incremental del combustible (IC)
horamonedadPbPaC iGiiGiii /2
1 2 ++=
-
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Despacho ptimo en un barrajeSi a priori se conoce cuales generadores (PGi) van a
ser despachados, para satisfacer una demanda PDen un barraje determinado
Es una desigualdad estricta con el
CAGS
DGi max,
Donde PGi corresponde a la potencia nominal delgenerador i. Se cumple adems que:
kiPPP GiGiGi ,......,2,1,max,min, =
fin de disponer de reserva rodante
-
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Despacho ptimo en un barrajeEl costo de operacin es insensible a la carga reactiva de losgeneradores. Es despreciable
La pregunta es: Cual es la forma optima por la cual se lograatender la demanda PD de la carga, entre los generadoresconectados a la barra?La respuesta a esto se obtiene, si minimizamos el costo operativo:
CAGS
=
=k
i
Gii PCC1
)(
Cumpliendo a su vez, con la desigualdad indicada previamente,para cada generador. En tal caso:
01
==
k
i
DGi PP Ecuacin de balance dePotencia
-
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Despacho ptimo en un barraje
Dado que es no lineal y adems Cj esindependiente de , entonces, este es unproblema de programacin no lineal separable
)( Gii PC
)( ijPGi
Si nos olvidamos provisionalmente de la restriccin
CAGS
re ac ona a con a es gua a prev a, e pro emase puede resolver por una metodologa deoptimizacin conocida como Multiplicadores deLagrange. El Langragiano se define como:
= =
=
k
i
k
i
DGiGii PPPC1 1
)( L
Multiplicador de Lagrange
-
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Despacho ptimo en un barrajeLa optimizacin se logra cuando
PGi0=
L
CAGS
kiPGi
i
,....,2,1;==
Gi
i
P
C
Donde es el costo incremental del ith generador
en $/MWh
=
==
=
Gk
k
GG P
C
P
C
P
C............
2
2
1
1
-
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Despacho ptimo en un barrajeDe acuerdo a lo anterior, el punto de
cargabilidad optima de los generadores,corresponde al punto en el cual, el costoincremental de todos ellos es igual. A las
CAGS
,
Ecuaciones de Coordinacin. El conjunto deecuaciones a solucionar esta compuesto de nderivadas para n generadores y la ecuacin de
demanda. En total son n+1 ecuaciones. Lasincgnitas son las n generaciones y elmultiplicador de Lagrange.
-
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Despacho ptimo en un barrajeEjemplo
Dos generadores. Ecuaciones de costos:
4*30*125.0
5*40*1.0
2
2
22
1
2
11
++=
++=
GG
GG
PPC
PPC 2,1,12520 = iPGi
CAGS
Se requiere generar 150 MW. Posibilidades y costos
G1 G2 CG1 CG2 Ctotal30 120 1295 5404 6699
50 100 2255 4254 650980 70 3845 2716.5 6561.5
100 50 5005 1816.5 6821.5
-
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Despacho ptimo en un barrajeEjemplo
Solucin por
multiplicadores deLagrange.
150
30*25.0
40*2.0
21
2
2
2
1
1
1
=+
=+=
=+=
GG
G
G
G
G
PP
PP
C
PP
C
CAGS
Son tres ecuaciones, tres incgnitas.
Solucin: PG1 = 61.11, PG2 = 88.89, = 52.22
Los despachos obtenidos, cumplen la restriccin:
2,1,12520 = iPGi
-
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Despacho ptimo en un barrajeEjemplo
Costos alrededor del punto ptimo.
G1 G2 CG1 CG2 Ctotal
CAGS
60 90 2765 3714.5 6479.5
61.11 88.89 2822.8 3656.4 6479.2
62 88 2869.4 3612 6481.4
-
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Despacho ptimo en un barraje
Calcular el despacho ptimo para diferentes escenarios de carga.Cuando el despacho de uno de los generadores supera o esta pordebajo de sus valores limites, se genera, el valor mximo o
mnimo respectivamente. Lo anterior es valido siempre y cuandola condicin determinante sea obligar a la generacinEjemplo. Para el caso anterior, calcular el despacho ptimo parauna generacin total de 40 MW.
CAGS
40
30*25.0
40*2.0
21
2
1
=+
=+
=+
GG
G
G
PP
P
P
Solucin: PG1 = 0, PG2 = 40, =40
Se redespacha como PG1 = 20, PG2 = 20
-
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Despacho ptimo en un barrajeTarea
Para el caso anterior, determinar eldespacho ptimo para un rango de carga
CAGS
es e as a , en ncremen osde 5 MW. Suponer que siempre se debegenerar por lo menos el mnimo.
-
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Despacho ptimo en un barrajeSupongamos dos
generadores que tienenlos siguientes costos: 100*30*125.0
120*40*1.0
1222
1
2
11
++=
++=
PPC
PPC
G
G
CAGS
,
demanda diaria.Demanda Horaria
00:00 06:00
06:00 18:00
18:00 23:59
0
50
100
150
200
250
00:00 04:48 09:36 14:24 19:12 00:00 04:48
Hora
MW Pmn = 76
Pmx = 220
-
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Despacho ptimo en un barrajeSupongamos que el solo prender un generador,ocasiona un gasto de 400. Es conveniente, desde unpunto de vista financiero, apagar uno de losgeneradores, en los periodos de baja carga?
CAGS
76
30*25.040*2.0
21
2
1
=+
=+
=+
GG
G
G
PP
PP
servicio, en el periodo de carga alta.En el periodo de demanda mnima se tiene que:
56
20
2
1
=
=
G
G
P
P
-
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Despacho ptimo en un barrajeDe acuerdo a lo anterior, se tendran los dos
siguientes escenariosG1 G2 CG1 CG2 CostoFijo Ctotal
CAGS
0 76 0 3102 400 3762420 56 960 2172 0 37584
Los 400 adicionales, solo se le asignan al escenarioen el cual G1 = 0, ya que en este caso, es necesarioprender el generador para las siguientes 12 horas
con demanda total de 220 MW
-
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Despacho ptimo teniendo en cuenta
prdidasEn este caso, las prdidas pueden afectar la forma en quedistribuimos la generacin entre varias plantas. El problema de
optimizacin es entonces minimizar:
=
=k
i
Gii PCC1
)(
CAGS
en todo momento, sujeto a satisfacer la demanda, incluyendoprdidas de transmisin
)1(01
==
L
k
i
DGi PPP
k: nmero total de generadoresPgi : generacin de la iesima planta
PD : suma de las demandas en cada barra
PL : Prdidas totales del sistema de transmisin
Ecuacin debalance dePotencia
-
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Despacho ptimoSe plantea el Langragiano:
= =
=
k
i
k
i
LDGiGii PPPPC1 1
)( L
CAGS
Es posible demostrar que si se supone que el factor depotencia de cada carga permanece constante, lasprdidas del sistema, se pueden expresar como unafuncin de la generacin de activa en cada planta.
),.....,,,( 321 GkGGGLL PPPPPP =
-
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Despacho ptimoEl despacho ptimo se logra cuando
kiP
P
P
C
P Gi
L
Gi
i
Gi
,....,2,1,0 ==
+
=
L
CAGS
Reorganizando
kiLP
Co
P
P
P
C
i
Gi
i
Gi
L
Gi
i
,....,2,1,)2(
1
==
=
=
Gi
L
i
P
PLDonde
1
1 Factor dePenalidad delgenerador iesimo
-
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Despacho ptimoEl multiplicador Langragiano estar en
$/MWh, cuando el costo del combustible esteen $/hora. La ecuacin anterior, indica que elcosto mnimo de operacin se logra cuando el
CAGS
multiplicado por su factor de penalidad, seaidntico para todos los generadores.Las (k+1) variables (PG1, PG2,., PGk, ) se
pueden calcular a partir de los k despachosptimos (2) y de la ecuacin de balance depotencia (1).
-
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Despacho ptimoA la derivada parcial
Gi
L
P
P
Se le conoce con el nombre de Prdidas Incrementales
CAGS
esimo .
(2) tambin se puede escribir como
[ ] kiITLIC ii ,....,2,1)(1)( ==
A esta ecuacin se le conoce con el nombre deEcuacin Exacta de Coordinacin
-
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Prdidas de TransmisinForma aproximada
para expresar lasprdidas como unafuncin de las
Gnmn
k
m
k
nGmL PBPP = =
=1 1
P , P = Potencia activa en el m-
CAGS
potencias activas delos generadores:Coeficientes-B
avo o n-avo generadorBmn = Coeficiente de prdidas, los
cuales son constantes, bajodeterminadas condiciones degeneracin
Si PG,s estn en MW, Bmn debe estar en MW-1. Bmn = Bnm
-
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Prdidas de Transmisin
La ecuacin de
prdidas se puedeescribir en formamatricial, como:
=
=
=
k
ik
G
G
G
G
t
GL
BBB
BBB
ByP
P
P
BPPP
22221
1211
2
1
MM
L
L
M
CAGS
kkkkGk BBBP 21
B es una matriz simtrica. Para un sistema de tres plantas se tendra:
133132232121
2
333
2
222
2
111 222 GGGGGGGGGL PPBPPBPPBPBPBPBP +++++=
Y
=
= =
Gnmn
k
m
k
n
Gm
GiGi
L PBPPP
P
1 1
-
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Prdidas de Transmisin
=
=
=
=
++
=
k
j
Gjij
Gi
L
GiijGi
k
im
m
GimnGmGnin
k
in
n
Gi
GiGi
L
PBP
P
PBPPBPPBPPP
P
1
11
2
CAGS
iGiiGiii dPbPaC ++=
2
2iGii
Gi
i
bPaP +=Recordando que
y [ ] kiITLIC ii ,....,2,1)(1)( ==
( )
=
=
+=+
=++
k
ij
j
GjijiGiiii
k
j
GjijiGii
PBbPBa
PBbPa
1
1
22
2
-
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Prdidas de Transmisin
kiB
a
PBb
P
iii
k
ij
j
Gjiji
Gi .....,,2,1;2
211
=
+
=
=
CAGS
La ecuacin anterior, junto con la ecuacin de balance de potencia, son labase para calcular los despachos ptimos de los generadores. Eldespacho del generador i es funcin del despacho de los generadores j. Elproceso es iterativo, iniciando en algn valor razonable. El proceso sedetiene cuando los despachos no se modifican entre iteracin e iteracin.
-
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Despacho ptimo
1. Seleccionar un valor para:2. Suponer PGi = 0,
i=1,2,.,k3. Solucionar (1) en forma
iterativa para los Pgi,s4. Calcular PL Gnmn
k k
GmL PBPP =
kiB
a
PBb
Pii
i
k
ijj
Gjiji
Gi .....,,2,1;2
211
=
+
=
=
0=
(1)
CAGS
5. Verificar si se satisface laecuacin de balance depotencia
6. Si se satisface, detener
proceso, en casocontrario, incrementar odecrementar de acuerdoa la siguiente expresin y
continuar con paso 3.
m n= =1 1
-
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Ejercicio 1Para el sistema de dos barras de la figura, se transmiten 100 MWde la planta 1 a la carga. Se tienen unas prdidas de 10 MW.
Calcular la generacin en cada planta y la potencia recibida por lacarga, cuando es de $25/MWhEl costo incremental es:
MWhPP
CG /$16*02.0 1
1 +=
CAGS
MWhPPC
G
G
/$20*04.0 22
2+=
GEN1
CARGA
GEN2
N2N1
-
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Ejercicio (cont)PG2 no tiene efectos en las prdidas, ya que su cargaesta en la misma barra.B22 = 0 y B12 = 0 = B21
2 210010 = B
CAGS
111 GL
Entonces
111 001.0
= MWB
202204.0
162202.0
1212222
2121111
=++
=++
GGG
GGG
PBPBP
PBPBPG1
G2
=++ =
k
j
GjijiGii PBbPa1
2
-
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Ejercicio (Cont)Al sustituir valores de B y PG1 = 128.57 MWPG2 = 125 MW
Las prdidas de transmisin sern:
CAGS
MWPL 53.1657.128001.02
==
La carga es:
PD = PG1 + PG2 PL = 128.57 + 125 16.53 = 237.04
-
8/6/2019 despacho_economico
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Ejercicio 2Para el ejercicio anterior, calcular el ahorro debido a tener en cuentaprdidas.
Ya se conoce el despacho teniendo en cuenta prdidas. Si no setienen en cuenta, se procede con la metodologa inicialmente vista:
CAGS
04.2370001.0
..
2
121
21
+=+
=
GGG
GG
PPP
Al solucionar el sistema anterior, da:
PG1 = 275.18, PG2 = 37.59
-
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Ejercicio 2El cambio en costo para el G1 por pasar de la solucin anterior, a la nueva es:
PPdPP GGGG 1601.0)1602.0(18.275
57.1281
2
1
18.275
57.12811 +=+
CAGS
h
PPdPP
r
GGGG
/$43.2032
2002.0)2004.0(
.
59.37
1252
2
2
59.37
12522
=
+=+
=
Ahorro: 2937.69 2032.43 = $905.26/hr
-
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FORMULA PRDIDAS DE
TRANSMISIN Mtodo preciso: Kron. Muy complicado
Presentaremos un mtodo simplificadoSea el siguiente sistema:
CAGS
D
p
p
I
IM
1
1 =SM-17
SM-24
L36
N720 kV
L41
N3320 kV
N1020 kV
1
2
Id
Ip1
Id
El generador 1, proveetoda la potencia Idnecesaria.
Se define:
En forma similar para el generador 2D
p
pI
IM
2
2 =Factores deFactores de
Distribucin deDistribucin de
corrientecorriente
-
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FORMULA PRDIDAS DE
TRANSMISINCuando ambos generadores estn en
funcionamiento
CAGS
SM-17
SM-24
L36
N720 kV
L41
20 kV
N1020 kV
1
2
g
Ip
Id
Ig2
2211 ** GpGpp IMIMI +=
-
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FORMULA PRDIDAS DE
TRANSMISINSupuestos:
A) Todas las corrientes de carga tienen el mismongulo de fase, con respecto a una referencia comn.
CAGS
iDiiiDi
i i
i
Angulo del voltaje Angulo de la carga
De acuerdo a esto, tiene sentido que el ngulo vare
en un rango muy estrecho. Es decir, es casi constante
-
8/6/2019 despacho_economico
41/59
FORMULA PRDIDAS DE
TRANSMISINb) Se supone que la relacin X/R es igual para todaslas lneas y transformadores.
Dado que las relaciones X/R son iguales, las corrientespor los elementos deben tener ngulos iguales a los delas cargas.
CAGS
Con base en estas dos suposiciones se concluyeque IP1 e ID tienen el mismo ngulo de fase y por lotanto los factores de distribucin de corriente(Mpi)son prcticamente nmeros reales.
-
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42/59
FORMULA PRDIDAS DE
TRANSMISINSea
222111 == GGGG IIyII
Con base en las dos ecuaciones anteriores se tiene que
222sinsincoscos IIIII +++=
CAGS
)cos(2 2121212
2
2
2
2
1
2
1
2 ++= GGPPGPGPP IIMMIMIMI
Al expandir esta ecuacin y simplificar, tenemos
Si se tiene en cuenta que
22
22
11
11
cos3cos3 V
PIy
V
PI GG
GG ==
-
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FORMULA PRDIDAS DE
TRANSMISINSi Rp es la resistencia de la rama p, las prdidas totalesdel sistema sern:
=PPL RIP
2
3
Sustituyendo la ecuacin para IP se tiene que:
CAGS
( )
( )
+
+=
p
PPG
p
PPPGG
p
PPG
L
RMV
P
RMM
VV
PP
RMV
PP
222
2
2
2
2
2
21
2121
2121
2
12
1
2
1
21
cos
coscos
)cos(2
cos
-
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FORMULA PRDIDAS DE
TRANSMISINLa ecuacin anterior es equivalente a
2
2222112
2
111 2 GGGGL PBPPBPBP ++=
21
CAGS
Donde( )
( )
=
=
=
p
PP
p
PPP
p
PP
RMV
B
RMMVV
B
V
2
22
2
2
2
22
21
2121
2112
12
1
2
1
11
cos
1
coscos
)cos(cos
221211 ,, BBBA los coeficientes se les conoce como
coeficientes de prdidas o coeficientes B
-
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FORMULA PRDIDAS DE
TRANSMISINPara el caso general de k plantas:
= =
=k
m
k
n
GnmnGmL PBPP1 1
CAGS
Donde
=p
PPnPm
nmnm
nmmn RMM
VVB
coscos
)cos(
-
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Adems de los supuestos ya presentados, sonnecesarios los siguientes supuestos adicionales, en
caso que se necesite que los coeficientes-B,permanezcan constantes a diferentes despachos.
FORMULA PRDIDAS DE
TRANSMISIN
Todas las corrientes de car a, cambian en la misma ro orcin con
CAGS
respecto a la corriente total
Las magnitudes de voltaje permanecen constantes en todas las plantas
La relacin de potencia reactiva a la activa (o equivalentemente elfactor de potencia) permanece constante en todas las plantas
Los ngulos de los voltajes de fase en las plantas permanecen constantes.
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EjemploTodas las corrientesde carga, tienen una
relacin constante conrespecto a la corriente
l.2174.0
15.16.4
25.01
7826.0
15.16.4
9.06.3
=
=
+
=
=
+
j
j
II
Ij
j
II
I
dc
c
dc
d
CAGS
7826.0,2174.0,2174.0,1 1111 ==== dcba MMMM
7826.0,2174.0,7826.0,0 2222 ====dcba MMMM
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EjemploGeneralmente sedebera correr un flujode carga. En esteejemplo no esnecesario o
o
9.4051.109.0048.1
)06.0015.0)(4.06.1(1
05.6066.11125.006.1
)06.0015.0)(5.02(0.1
2
1
=+=
++==+=
++=
j
jjV
puj
jjV
CAGS
Los ngulos de las corrientes de las plantas sern: ),( 21 cba IIIII +==
( ) 10coscos
146.2
65.0tan;14
2
5.0tan
21
1
2
1
1
==
=
==
=
o
oo
Los factores de potencia de las plantas: ( ) 9393.01405.6cos1 =+=oopf
( ) 946.0149.4cos2 =+=oopf
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EjemploLos coeficientes de prdidas son:
02224.0
9393.0*066.17826.0*01.02174.0*01.02174.0*015.01*015.0
22
2222
11
=
+++=B
CAGS
00406.0
946.0*9393.0*051.1*066.1
7826.0*01.02174.0*01.0015.0*7826.0*)2174.0(
01597.0
946.0*051.17826.0*01.02174.0*01.02174.0*01.07826.0*015.0
22
12
22
2222
22
=
++
=
=
+++=
B
B
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EjemploEn ocasiones, la potencia de generacin est
en PU. En tal caso, los coeficientes-B, tambindebern estar en pu. En base de 100 MVA:
CAGS
100
00406.0 100
01597.0100
12
22
11
=
=
=
B
B
B
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FLUJO DE CARGA PTIMOPlanteamiento general. Se iniciar planteando una funcin objetivoy restricciones de igualdad (ecuaciones de flujo de carga). Luegose generalizar para incluir desigualdades (limites)Minimizar la funcin objetivo escalar:
=k
PCC )(
CAGS
i
Sujeto a las ecuaciones de flujo de carga. Barras PQ:
( )
( ) 0sin
0cos
1
1
=++
=+
=
=
ijijijj
n
j
ii
ijijijj
n
j
ii
YVVQ
YVVP
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FLUJO DE CARGA PTIMOBarras PV
( ) 0cos1
=+ =
ijijijj
n
j
ii YVVP
En la barra Ith
CAGS
DiGii
DiGii
QQQ
PPP
=
=
Donde PGi y Pdi son las demandas en la barra i
Las ecuaciones para las barras PV y PQ se pueden expresar enforma vectorial
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FLUJO DE CARGA PTIMO
=
barra PVparaP,enecuacin
barra PQparaQ,enecuacin
barra PQparaP,enecuacin
),( yxf
= barra Para
barra PQpara,
x
iV
El vector de variables de endientes es:
CAGS
barra PVpara,
i
y el vector de variables independientes es:
=
=p
u
V
P
Q
P
V
i
i
i
barra PVpara,
barra PVpara,
barra PQpara,
barra PQpara,
slackbarrapara,
slackbarrapara,
y
1
1
1
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FLUJO DE CARGA PTIMOEl vector de variables independientes y se puedeparticionar en un vector u de variables de control, las
cuales se modificarn hasta lograr un valor ptimo dela funcin objetivo y un vector p, de parmetros fijos ono controlables. Las variables controlables pueden ser
CAGS
Gi
las barras con potencia de generacin.
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FLUJO DE CARGA PTIMODe acuerdo a lo
anterior, el problemade optimizacin sepuede plantear como
( )uxCu ,min
CAGS
Sujeto a lasrestricciones de
igualdad
( ) 0,, =puxf
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FLUJO DE CARGA PTIMOPara solucionar el problema de optimizacin,
se define la funcin del Langragiano como:
),,(),(,, uxuxCux T=L
CAGS
Donde es un vector de multiplicadores deLagrange de las mismas dimensiones que f(x,u,p)
Las condiciones necesarias para minimizar la funcinde Lagrange sin restricciones son
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FLUJO DE CARGA PTIMO
0
0
=
+
=
=
+
=
Ti
T
i
u
f
u
C
u
x
f
x
C
x
L
L
CAGS
( ) 0,, ==
puxf
L
Estas ecuaciones son no lineales y solo sepueden resolver por medio de un procesoiterativo. Un mtodo muy utilizado es el metododel gradiente o mtodo del menor pasodescendente
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FLUJO DE CARGA OPTIMOLa tcnica para resolver las ecuaciones
anteriores, es ajustar el vector de controlu, para que pase una solucin valida(conjunto de valores x que satisfacen las
CAGS
ecuaciones de restriccin para unosvectores u y p dados. Es decir la solucindel flujo de carga) en la direccin delpaso descendente mas pequeo(gradiente negativo), a un nuevo valorcon un valor de gradiente menor.