Ubicación óptima de bancos de condensadores mediante programación lineal entera mixta para mejorar la confiabilidad de un sistema eléctrico radial de distribución

Abstract

El crecimiento sostenido de la demanda eléctrica en Perú presenta desafíos significativos para la confiabilidad y calidad del suministro en los sistemas eléctricos de distribución. Las variaciones de tensión, las pérdidas energéticas y la ineficiencia en la compensación de energía reactiva afectan la estabilidad y operación de los sistemas eléctricos radiales de distribución. Lo cual impacta en la disminución de la confiabilidad del sistema eléctrico, consecuentemente en la gestión de mantenimiento. Esta investigación tiene como objetivo mejorar la confiabilidad de un sistema eléctrico radial de distribución mediante la ubicación óptima de bancos de condensadores utilizando programación lineal entera mixta (PLEM). El modelo propuesto se basa en el modelado del flujo de potencia, análisis de confiabilidad y optimización matemática. El estudio emplea técnicas de optimización mediante PLEM implementadas en el entorno de programación Julia-JuMP. Se utilizan dos casos de estudio: a) Sistema estándar IEEE de 33 barras, representando un entorno controlado con demanda constante; b) Sistema real de 178 barras en Piura, Perú, con demanda variable, permitiendo evaluar la aplicabilidad del modelo en una red eléctrica urbana. Se analizan indicadores como la Energía No Suministrada (ENS), el índice SAIDI y las pérdidas de energía antes y después de la optimización. Los resultados muestran que la ubicación óptima de bancos de condensadores mejora la calidad del voltaje y reduce pérdidas en ambos casos de estudio. Sin embargo, en un sistema real, el impacto en la confiabilidad es moderado debido a que los sistemas eléctricos reales suelen operar dentro de niveles aceptables de calidad de tensión. Se concluye que la optimización mediante PLEM permite mejorar la eficiencia de un sistema eléctrico de distribución, reduciendo costos operativos y mejorando la confiabilidad del servicio.

The sustained growth of electricity demand in Peru presents significant challenges for the reliability and quality of supply in distribution electrical systems. Voltage variations, energy losses, and inefficiencies in reactive power compensation affect the stability and operation of radial distribution electrical systems. This impacts the reduction of the electrical system's reliability and, consequently, maintenance management. This study aims to enhance the reliability of radial distribution power systems through the optimal placement of capacitor banks using Mixed-integer linear programming (MILP). The proposed model integrates power flow modeling, reliability analysis, and mathematical optimization. The research employs optimization techniques based on MILP, implemented within the Julia-JuMP programming environment. Two case studies are considered: (a) the IEEE 33-bus standard system, representing a controlled environment with constant demand, and (b) a real 178-bus system in Piura, Peru, characterized by variable demand, thereby enabling an assessment of the model’s applicability in an urban electrical network. Key performance indicators, including Energy Not Supplied (ENS), the System Average Interruption Duration Index (SAIDI), and energy losses, are analyzed before and after optimization. The findings indicate that the optimal placement of capacitor banks improves voltage quality and reduces energy losses in both case studies. However, in the real-world system, the impact on reliability is moderate, given that actual power systems generally operate within acceptable voltage quality levels. It is concluded that MILP-based optimization enhances the efficiency of distribution power systems, leading to reduced operational costs and improved service reliability.