Beyza Bravo, Jesús
YUSTA LOYO, JOSÉ MARÍA (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2019
Resumen: La interdependencia entre las redes de gas y electricidad es motivo de preocupación debido a la creciente utilización del gas para la generación de electricidad en centrales de ciclo combinado y al uso de energía eléctrica de los compresores en la red de gas. Estas redes están sujetas a riesgos de interrupción del suministro derivados de posibles problemas técnicos o amenazas intencionadas. Por lo tanto, resulta conveniente modelizar y analizar la vulnerabilidad de estas infraestructuras críticas de energía interdependientes.
En esta tesis doctoral se presenta, en primer lugar, una metodología para analizar conjuntamente los flujos de electricidad y gas. El conjunto de ecuaciones no lineales que representan la operación del sistema de potencia se resuelve utilizando el método de Newton-Raphson, mientras que las ecuaciones en la red de gas se resuelven utilizando el enfoque de transformada análoga-lineal. Se presentan dos casos de estudio para demostrar la simplicidad de la metodología propuesta. Los resultados obtenidos se verifican contra el método Newton-Raphson tradicional con el fin de comprobar la solución alcanzada, encontrando un buen desempeño de la metodología conjunta aplicada. La aplicación del enfoque propuesto permite el análisis de la vulnerabilidad de las infraestructuras energéticas interdependientes.
También, se desarrolla una metodología para evaluar la vulnerabilidad estructural de las redes de energía eléctrica y gas acopladas, considerando interdependencias en el proceso de fallos en cascada. La vulnerabilidad se evalúa empleando el índice de desconexión de carga y las medidas de centralidad de vulnerabilidad geodésica e impacto en la conectividad. El estudio muestra una elevada correlación entre el índice de desconexión de carga y el índice de vulnerabilidad geodésica. De esta manera, la teoría de grafos puede usarse como sustituto de los enfoques de flujos de carga que demandan un conocimiento detallado de los parámetros eléctricos e hidráulicos de los sistemas bajo estudio y son computacionalmente más intensivos que los métodos estadísticos de grafos. Como resultado, se propone un nuevo método para estimar la vulnerabilidad de las redes de energía eléctrica y gas conjuntas utilizando el índice de vulnerabilidad geodésica.
Asimismo, se estudia el comportamiento de las redes de electricidad y gas natural de España, tanto de manera separada como conjunta. Los resultados muestran que la red de gas natural es menos robusta que la red eléctrica y que la red acoplada es más vulnerable que la red eléctrica ante fallos aleatorios y deliberados. Además, eliminar los nodos más fuertemente conectados de los dos sistemas independientes resultaría una estrategia de ataque eficaz para el rápido colapso de las infraestructuras acopladas interdependientes.
Por último, se evalúa la robustez estructural de los planes de expansión de las infraestructuras de electricidad y gas natural en España. Los casos de estudio corresponden a las principales inversiones propuestas por los operadores de los sistemas en 2015-2020. Los resultados demuestran que la construcción de algunas instalaciones para la expansión de ambas redes no mejora la robustez estructural de la red acoplada; sin embargo, cuando se tiene en cuenta todo el programa de inversión se produce una mejora relativa de hasta un 6% con respecto al caso base. La metodología propuesta en esta tesis corrobora que la aplicación de la teoría de grafos es adecuada para analizar la planificación de activos de una infraestructura energética crítica, requiriendo únicamente la topología y el programa de inversiones para evaluar el desempeño de la red acoplada en caso de fallos en cascada.
En suma, esta tesis doctoral pone de relieve la importancia de que los sistemas energéticos se aborden como redes acopladas debido a sus fuertes interacciones. Una perturbación en un sistema puede no ser crítica si las infraestructuras están separadas, pero dado que ambas redes son interdependientes, el impacto resultante podría causar fallos en el otro sistema. En otras palabras, las interdependencias aumentan el impacto de las perturbaciones.
Resumen (otro idioma):
En esta tesis doctoral se presenta, en primer lugar, una metodología para analizar conjuntamente los flujos de electricidad y gas. El conjunto de ecuaciones no lineales que representan la operación del sistema de potencia se resuelve utilizando el método de Newton-Raphson, mientras que las ecuaciones en la red de gas se resuelven utilizando el enfoque de transformada análoga-lineal. Se presentan dos casos de estudio para demostrar la simplicidad de la metodología propuesta. Los resultados obtenidos se verifican contra el método Newton-Raphson tradicional con el fin de comprobar la solución alcanzada, encontrando un buen desempeño de la metodología conjunta aplicada. La aplicación del enfoque propuesto permite el análisis de la vulnerabilidad de las infraestructuras energéticas interdependientes.
También, se desarrolla una metodología para evaluar la vulnerabilidad estructural de las redes de energía eléctrica y gas acopladas, considerando interdependencias en el proceso de fallos en cascada. La vulnerabilidad se evalúa empleando el índice de desconexión de carga y las medidas de centralidad de vulnerabilidad geodésica e impacto en la conectividad. El estudio muestra una elevada correlación entre el índice de desconexión de carga y el índice de vulnerabilidad geodésica. De esta manera, la teoría de grafos puede usarse como sustituto de los enfoques de flujos de carga que demandan un conocimiento detallado de los parámetros eléctricos e hidráulicos de los sistemas bajo estudio y son computacionalmente más intensivos que los métodos estadísticos de grafos. Como resultado, se propone un nuevo método para estimar la vulnerabilidad de las redes de energía eléctrica y gas conjuntas utilizando el índice de vulnerabilidad geodésica.
Asimismo, se estudia el comportamiento de las redes de electricidad y gas natural de España, tanto de manera separada como conjunta. Los resultados muestran que la red de gas natural es menos robusta que la red eléctrica y que la red acoplada es más vulnerable que la red eléctrica ante fallos aleatorios y deliberados. Además, eliminar los nodos más fuertemente conectados de los dos sistemas independientes resultaría una estrategia de ataque eficaz para el rápido colapso de las infraestructuras acopladas interdependientes.
Por último, se evalúa la robustez estructural de los planes de expansión de las infraestructuras de electricidad y gas natural en España. Los casos de estudio corresponden a las principales inversiones propuestas por los operadores de los sistemas en 2015-2020. Los resultados demuestran que la construcción de algunas instalaciones para la expansión de ambas redes no mejora la robustez estructural de la red acoplada; sin embargo, cuando se tiene en cuenta todo el programa de inversión se produce una mejora relativa de hasta un 6% con respecto al caso base. La metodología propuesta en esta tesis corrobora que la aplicación de la teoría de grafos es adecuada para analizar la planificación de activos de una infraestructura energética crítica, requiriendo únicamente la topología y el programa de inversiones para evaluar el desempeño de la red acoplada en caso de fallos en cascada.
En suma, esta tesis doctoral pone de relieve la importancia de que los sistemas energéticos se aborden como redes acopladas debido a sus fuertes interacciones. Una perturbación en un sistema puede no ser crítica si las infraestructuras están separadas, pero dado que ambas redes son interdependientes, el impacto resultante podría causar fallos en el otro sistema. En otras palabras, las interdependencias aumentan el impacto de las perturbaciones.
Resumen (otro idioma):
Pal. clave: electricidad ; gas natural ; ingeniería y tecnología eléctricas ; transmisión y distribución eléctrica
Titulación: Programa de Doctorado en Energías renovables y Eficiencia energética
Plan(es): Plan 509
Departamento: Ingeniería Eléctrica
Nota: Presentado: 10 04 2019
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Ingeniería Eléctrica, 2019
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Registro creado el 2019-06-20, última modificación el 2021-05-20
