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http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/68215| Title: | Modelado de la confiabilidad de un sistema eléctrico de potencia nivel HL1 mediante redes de Petri |
| Authors: | Chicaiza Zambrano, Leandro JeanPierre Rodríguez Nieto, Eduardo Javier Cevallos Ulloa, Holger Ignacio, Director |
| Keywords: | Confiabilidad HL1 Adecuación Redes de Petri Estocásticas Modelo multiestado Monte Carlo secuencial LOLE, EENS |
| Issue Date: | 2025 |
| Publisher: | ESPOL.FIEC |
| Citation: | Chicaiza Zambrano L.J, Rodríguez Nieto E.J. (2025) Modelado de la confiabilidad de un sistema eléctrico de potencia nivel HL1 mediante redes de Petri [Proyecto Integrador] Escuela Superior Politécnica del Litoral |
| Abstract: | The reliability assessment of electrical power systems at the HL1 hierarchical level is traditionally performed using a two-state (binary) model that represents generating units in normal operation or in a fault state. However, this simplification omits real-world situations involving degradations that reduce capacity operation due to subsystem unavailability, which can distort the power deficit risk estimate. This project develops a multi-state model implemented using Stochastic Petri Nets (SPNs), which can represent three operating states: normal, partial, and total fault. The proposed methodology is solved using sequential Monte Carlo simulation with a time step (Δt = 1 h) over a full year (8760 h). This allows us to construct chronological availability histories and thus estimate reliability indices. The multistate model parameters are adjusted using mean time to failure (MTTF) and mean time to repair (MTTR), which are converted into hourly probabilities and applied via random sampling within each simulation interval. Model consistency is verified by comparing theoretical and simulated forced unavailability (FOR), yielding relative errors of less than 1%, thus confirming the correct implementation of the transition logic. To validate the model's performance, a test case was designed based on the IEEE RTS-96 system and the Billington & Allan criterion for allocating capacity when auxiliary subsystems are degraded. Using N = 20,000 simulated years ensures the statistical stability of the estimators. The proposed multistate model reports LOLE = 25.3951 h/year and EENS = 2136.87 MWh/year; it also estimates 2.8499 events/year and an average duration of 8.91 h/year. Comparing these results with the traditional two-state model using the same system reveals that this model significantly overestimates the risk, yielding LOLE = 40.0887 h/year and EENS = 3281.68 MWh/year. Including the partial operation state reduces these estimates by approximately 36.65% for LOLE 4 and 34.89% for EENS, demonstrating that the classic two-state approach is overly conservative in assuming that any degradation is equivalent to a total failure. Taken together, the results show that implementing Stochastic Petri Nets with sequential Monte Carlo allows for a more representative quantification of deficit risk at the HL1 hierarchical level. By incorporating the partial operation state, the physical consistency of the states is maintained, and additional metrics (failure frequency and duration) are enabled, which are useful for reserve analysis and operational planning. |
| Description: | La evaluación de la confiabilidad en sistemas eléctricos de potencia a nivel jerárquico HL1 se realiza tradicionalmente implementando modelo de 2 estados (binarios) que representa a las unidades generadores en operación normal o falla. Sin embargo, esta simplificación omite situaciones reales asociadas a degradaciones que conllevan a operar con capacidad reducida asociadas a indisponibilidades en subsistemas, lo que puede alterar la estimación del riesgo de déficit de potencia. En este proyecto se desarrolla un modelo multiestado implementado Redes de Petri Estocásticas (SPN), que tienen la capacidad de representar 3 estados de operación, normal, parcial y falla total. La metodología propuesta se resuelve mediante simulación de Monte Carlo secuencial con paso temporal horario (Δt = 1 h) para todo un año dando un equivalente de 8760 h, que nos permiten construir historias cronológicas de disponibilidad y con ello poder estimar los índices de confiabilidad. Los parámetros del modelo multiestado se ajustan a partir de los tiempos medios de falla y reparación (MTTF, MTTR) que se convierten en probabilidades horarias, que se aplican mediante muestreo aleatorio en cada intervalo de la simulación. La coherencia del modelo se verifica mediante la comparativa de la indisponibilidad forzada (FOR) teórica y simulada, obteniendo errores relativos inferiores al 1%, confirmando así la correcta implementación de la lógica de transición. Para validar el desempeño del modelo se diseñó un caso de prueba basado en el sistema IEEE RTS-96 y el criterio de Billinton & Allan para la asignación de capacidades degradadas por fallas en subsistemas auxiliares. Utilizando N = 20 000 años simulados se garantiza la estabilidad estadística de los estimadores. El modelo multiestado propuesto reporta LOLE = 25.3951 h/año y EENS =2136.87 MWh/año; además de estimar 2,8499 eventos/año y una duración 2 media de 8,91 h/año. Al comparar estos resultados con el modelo tradicional de 2 estados aplicando el mismo sistema, se observa que este modelo sobreestima de manera significativa el riesgo entregando estos índices LOLE = 40,0887 h/año y EENS = 3281,68 MWh/año. La inclusión del estado de operación parcial reduce estas estimaciones en aproximadamente 36,65% para el LOLE y en un 34,89 % para EENS; evidenciando que el enfoque clásico de 2 estados es muy conservador al asumir que cualquier degradación es equivalente a una falla total. De forma conjunta los resultados dejan en evidencia que la implementación de las Redes de Petri Estocásticas con Monte Carlo secuencial permite cuantificar de forma más representativa el riesgo del déficit en el nivel jerárquico HL1, al incorporar el estado de operación parcial se conserva la coherencia física de los estados y habilitas métricas adicionales (frecuencia y duración de fallas) útiles para el análisis de reserva y planificación operativa. |
| URI: | http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/68215 |
| metadata.dc.identifier.codigoproyectointegrador: | INGE-3118 |
| Appears in Collections: | Tesis en Ingeniería Eléctrica |
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