398 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 14, NO. 1, JAN. 2016 State of Art, Reliability Assessment in the Transmission System based on Monte Carlo Method R. Haro and E.Inga, Member, IEEE 1 Abstract— This paper presents a reliability assessment applied to the transmission system, considering faults that cause an interruption the service of electric energy. The goal is to predict the real behavior of the transmission system to a number of failures using Monte Carlo method; for reasons, that estimate analytically the future behavior of the system, it is impossible due to the complexity of the cause-effect relationships, to solve problems of this kind are used a probabilistic theory. Therefore, with Monte Carlo method is calculated the reliability index for quantifying the operational performance against possible random failures. Consequently, in this work we can estimate the probability of failure basing on the problem of reliability by blackouts or unpredictable interruptions induced in the transmission system with Monte Carlo is proposed analyze these random events. This reliability assessment is essential to determine the unavailability and insecurity of the transmission network, which allows you to perform actions to prevent blackouts. Keywords— smart grids, reliability assessment, availability, monte carlo, transmission system, blackout, random number, stochastic, deterministic. I. INTRODUCCIÓN E N este artículo se plantea la evaluación de la probabilidad y frecuencia de fallas inducidas a la red de transmisión discriminando el medio de ocurrencia de la falla, cuando se causa un evento de falla se pierde redundancia del sistema provocando un impacto significativo en la seguridad y confiabilidad [1], este problema de confiabilidad amerita un análisis para cuantificar el índice de confiabilidad, de tal manera lograr predecir el comportamiento real expuesto a fallas aleatorias, son aleatorias por la dificultad de pronosticar las incidencias de fallas, las cuales son impredecibles, por ende se aplica la probabilidad para evaluar dichos eventos [2][3]. Cabe mencionar que la redundancia del sistema de transmisión se basa en la adicción de líneas paralelas para obtener una configuración en las redes de transmisión, que permita un reemplazo de la línea que salió fuera de servicio por falla o mantenimiento programado [4].También los sistemas de transmisión están expuestos a posibles fallas que originen grandes apagones (blackouts) en cascada, produciendo la indisponibilidad de toda una red de transmisión suspendiendo la función de transportar energía y ofrecer un servicio eléctrico continuo al usuario final [5][6], la finalidad es entregar la energía de forma segura, a un mínimo costo 1 R. Haro, Universidad Politécnica Salesiana, Quito, Ecuador, Ingeniería Eléctrica, jharov@est.ups.edu.ec E. Inga, Universidad Politécnica Salesiana, Quito, Ecuador, Ingeniería Eléctrica, einga@ups.edu.ec ,cantidad suficiente, calidad adecuada que se refiere a niveles de tensión, frecuencia, balances de fases, etc [7][8][9]. La confiabilidad del sistema de transmisión se requiere estimar cuantitativamente en estado de operación y falla del sistema, considerando el criterio N-1 cuando ocurre blackout o perturbaciones [10], que de cierta manera este criterio se puede interpretar como la redundancia del sistema ofreciendo capacidades a la red de transmisión para soportar perturbaciones que provocan detener la operación del sistema [11][12]. Para la confiabilidad se tiene que tomar en cuenta dos términos adecuación y seguridad, que son el conjunto de aspectos como disponibilidad y soportabilidad ante fallas aleatorias, siendo así se garantiza un alto índice de confiabilidad en el sistema, por consiguiente esa información de índices se concatena a un sistema de gestión mediante la integración de una red inteligente para tomar decisiones de mejoras en ciertos tramos de la red, lo indicado se advierte en la Fig.1, se representa un esquema de la confiabilidad en la red de transmisión para analizar los factores que ubican en riesgo al sistema, relacionado con Smart Grids. La solución adecuada para reducir los tiempos de cortes de energía es determinar la probabilidad de eventos de fallas aleatorias incidentes en la línea de transmisión mediante el método Monte Carlo [6][13]. Monte Carlo se aplica para resolver problemas probabilísticos en el campo de la ingeniería con procesos determinísticos o estocásticos, los eventos de fallas aleatorias se analiza de forma discreta, por lo cual el método de Monte Carlo se emplea estocásticamente [14] obteniendo las tasas de interrupciones por fallas, con dicho método se realiza la evaluación de confiabilidad del sistema de transmisión para analizar funciones de pertenencia y valores medios de los índices de confiabilidad [2][14]. Lo esencial del método de Monte Carlo es la generación de un muestreo al azar, este muestreo es inversamente proporcional a la indisponibilidad del sistema. La ventaja de este método de Monte Carlo es que se acopla al número de iteraciones o experimentos a realizar para estimar la confiabilidad, acercándose a los valores aproximados [15], entre mayor sea el número de eventos la resultante a estimar es más cercano al valor real del sistema, por motivos de convergencia se diferencia el método Monte Carlo con la técnica de enumeración analítica [16][17]. HARO AND INGA : STATE OF ART, RELIABILITY ASSESSMENT 399 Figura 1. Evaluación de confiabilidad en el Sistema de Transmisión. En adelante este artículo se organiza de la siguiente manera. En la sección II se introduce la relación de la confiabilidad enfocado en los sistemas de transmisión. En la sección III se representa matemáticamente la aplicación del método Monte Carlo para estimar el índice de confiabilidad. En la sección IV se describe la formulación del problema de confiabilidad en un sistema de transmisión. En la sección V nosotros proponemos la estimación de confiabilidad de un sistema de transmisión mediante la utilización el método de Monte Carlo, donde se analiza los resultados obtenidos de la simulación. Finalmente nosotros concluimos este artículo en la sección VI. II. CONFIABILIDAD EN LOS SISTEMAS DE TRANSMISIÓN ELÉCTRICA La confiabilidad en el sistema eléctrico de potencia se genera por la necesidad de obtener la capacidad de suministrar energía eléctrica en toda situación satisfaciendo la demanda requerida de los consumidores pero cumpliendo con un adecuado nivel de calidad, por lo tanto se requiere respetar los límites técnicos de los componentes o sistemas (generación o transmisión), para ello se considera las salidas de servicio por los factores que ocasionan fallas, blackout, interrupciones climáticas (descargas atmosféricas), etc [18]. También las salidas pueden ser planificadas y previstas cuando se realiza un mantenimiento programado de dichos sistemas o componentes [2][7]. Entonces se entiende por confiabilidad a la capacidad general del sistema para llevar a cabo su función, pero la confiabilidad abarca una subdivisión de dos aspectos básicos que se tiene que efectuar para que el sistema de potencia sea confiable, estos términos son adecuación y seguridad, lo cual se describen de la siguiente manera: Adecuación se refiere a la disponibilidad de una infraestructura suficiente en el sistema bajo condiciones estáticas, es decir instalaciones necesarias para generar energía suficiente, existencia de sistemas de transmisión y distribución necesarios para el transporte para llegar al usuario con el objetivo de satisfacer la demanda de carga [19]. En cuanto a seguridad se refiere a la capacidad del sistema de soportar perturbaciones imprevistas e impredecibles sin afectar las restricciones operativas preservando la función del sistema en caso de ocurrencia de alguna contingencia presentada, las perturbaciones son dinámicas o transitorias asociadas a condiciones de grandes pérdidas de generación o transmisión del sistema. Se puede decir que un sistema es confiable si se cumple estos dos aspectos con la finalidad de garantizar altos niveles de calidad, efectuando estos aspectos se alcanza a limitar la extensión de fallas, riesgos de interrupciones o pérdidas de redundancia en el sistema, para ello se busca proveer medios que favorezcan a la planificación permitiendo una rápida recuperación luego de las fallas [20]. Estos problemas generan una elaboración de un estudio de evaluación de confiabilidad de los sistemas, lo cual se requiere determinar el índice de confiabilidad bajo condiciones de existencia de perturbaciones o apagones, para ello se ha desarrollado métodos probabilísticos pero la formulación matemática depende del problema, no existe una sola técnica para resolver distintos inconvenientes, siempre se basan en análisis relacionados directamente a modelos probabilísticos en representación de los sistemas para predecir el comportamiento real [12]. En la evaluación de la capacidad del sistema de transmisión, un nivel de adecuación es una referencia que se puede obtener de la información histórica del sistema, los análisis tiene que poseer la capacidad de incluir un elevado grado de precisión en los cálculos pero siempre existirá incertidumbre en los datos, incluidos la información conocida del sistema como carga, tasas de fracaso o éxitos, tiempos de reposición, etc. Por lo que la confiabilidad absoluta es prácticamente imposible de evaluar analíticamente ya que la indisponibilidad del sistema de transmisión depende de adversidades aleatorias impredecibles para el ser humano pero esta situación no atenúa la necesidad de evaluar el sistema de forma objetiva, basándose en métodos probabilísticos [21]. La gran mayoría de técnicas probabilística existentes evalúan el índice de confiabilidad en un dominio de interés, generalmente en la tasa de éxitos por lo que se limitan a no analizar de cierta manera la seguridad debido a la complicación en el dominio, por lo que en general se realiza el cálculo del índice de adecuación mediante el 400 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 14, NO. 1, JAN. 2016 análisis de operación del sistema de transmisión fundamentándose en las fallas, blackout o interrupciones del sistema. Un aspecto importante en los estudios de confiabilidad de los sistemas de potencia es el equilibrio que se necesita entre todos los sectores de operación tanto en generación, transmisión y distribución, por razones los índices de confiabilidad no implican que sea iguales cada uno tiene comportamiento diferente por estar en zonas de funcionamiento distintas y por ende están expuestos a otros impactos [22]. El Interés de analizar o evaluar la confiabilidad en el sistema de transmisión es por la causa de existencia de fallas o interrupciones de servicio que producirán apagones (blackout) en varios sectores, su indisponibilidad del sistema es notorio expuesto a un mayor impacto, por lo que se diferencia de las fallas en el sistema de distribución por ser localizadas en un solo sector. III. MÉTODO DE MONTE CARLO PARA ANÁLISIS DE CONFIABILIDAD EN EL SISTEMA DE TRANSMISIÓN ELÉCTRICA A. Descripción del método Monte Carlo El método de Monte Carlo se ha implementado computacionalmente para resolver diversos problemas complejos en el área de la ingeniería, por motivos que la gran mayoría de problemas son numerosamente no lineales donde los parámetros a evaluar y estimar son inciertos e impredecibles. Monte Carlo es un método que ha revolucionado para cubrir el déficit de un método determinístico [23], dicho déficit es la imposibilidad de imitar problemas de la vida real y realizar predicciones del sistema lo cual como resultados el método Monte Carlo proporciona soluciones aproximadas al comportamiento real utilizando números aleatorios y herramientas estadísticas [24]. La táctica fundamental de Monte Carlo es generar un número de puntos aleatorios para originar un muestreo al azar de manera que se distribuyan uniformemente en el interior de un dominio de interés a analizar, este número aleatorio debe ser grande pero finito, por razones de que entre más cantidad de iteraciones para generación de números aleatorio se disminuye la variación ocasionando una mejor estimación de la probabilidad con el único inconveniente de un esfuerzo computacional [25][26]. A continuación se expresa matemáticamente el Método Monte Carlo general [26]. ( ) se expresa de la siguiente manera: g(x) ∗ f(x) (1) ∈ ( ) = g(x) ∗ f(x) (2) Donde f(x), se refiere a la función de densidad de probabilidad de los números aleatorios ( ).Por lo tanto si se genera una muestra al azar en intervalo [ , , . . . , ], entonces la estimación del método Monte Carlo de ( ) (3) Monte Carlo para aproximar la estimación de una varianza imparcial se denota: 1 −1 ( ( )) = − ( ( ) (4) ( )) Por consiguiente es importante mencionar la disposición de las dos versiones del método de Monte Carlo para la simulación, que son: El método de Monte Carlo secuencial o sistema con memoria, en esta clase de método se caracteriza por simular cronológicamente cada hora del año y el estado actual depende de los estados anteriores que ocurrieron, por esa razón se lo dice un sistema con memoria [27][28]. Por lo tanto, el método de Monte Carlo no secuencial o sistema sin memoria es lo contrario, se determina por simular aleatoriamente todas las horas del año y el estado actual no depende del anterior. La utilización del método Monte Carlo es por la facilidad de brinda un análisis de cualquier variable aleatoria y contingencia (falla) [24]. B. Monte Carlo para estimar el índice de confiabilidad en el Sistema de Transmisión [22]. Para la evaluación de confiabilidad del sistema de transmisión es fundamental conocer la esperanza matemática de un índice de confiabilidad aplicando el método de Monte Carlo, para determinar el comportamiento del sistema en condiciones de eventos de fallas y estados de operación, Donde Q se manifiesta como la indisponibilidad del sistema, lo cual sería la probabilidad de fallas (salidas de servicio) de la red de transmisión, Monte Carlo establece la generación de números aleatorios como variable fluctuante 0 y 1 que indica lo siguiente [22]: = 1 el sistema se encuentra en un estado o Cuando evento de falla. Si cuando = 0 , quiere decir que el sistema se encuentra en un estado de operación. Para estimar la indisponibilidad (Q) y confiabilidad ( ) del sistema de transmisión se denotan por las siguientes ecuaciones: = El número deseado de una función g(x) se pronuncia en el dominio de los dos tiempos que puede ser, tanto discreto y continúo. ( ) = 1 ( )= 1 (5) =1− (6) Donde, es el índice de confiabilidad y N es igual al número de muestras al azar del estado de sistema de transmisión se estima la varianza de la muestra como imparcial: ( )= 1 −1 ( − ) (7) HARO AND INGA : STATE OF ART, RELIABILITY ASSESSMENT Si la dimensión de la muestra alzar es lo adecuadamente grande, la ecuación (7) se puede aproximar de la siguiente manera: ( )= 1 ( − ) (8) Por lo tanto como se define dentro una variable aleatoria 0 y 1, se establece lo siguiente: = (9) Reemplazando las ecuaciones (5) y (9) en la ecuación (8) los beneficios de la varianza se define: ( )= − (10) Siempre se origina una incertidumbre aproximadamente de la estimación que se puede medir por la varianza de la estimación expectativa, expresada[22]: ( )= 1 ( − ) (11) El grado de precisión de la simulación de Monte Carlo puede ser indicada por el coeficiente de variación, que se especifica como: = ( ) (12) La sustitución de la ecuación (11) en la ecuación (12), se denota como: = 1− ∗ (13) La ecuación (13) se puede describir finalmente como: = 1− (14) La ecuación (14) demuestra que para un nivel de exactitud del valor deseado la muestras alzar (N) requeridas depende de la indisponibilidad del sistema de transmisión entre más veces el sistema en el tiempo se encuentre en el estado fuera de servicio el índice indisponibilidad es mayor por razones Monte Carlo se ajusta a la confiabilidad para evaluar a gran escala, se refiere al número de iteraciones [26]. Por lo tanto, es necesario calcular el error relativo del método Monte Carlo y se denota con la siguiente ecuación: = ∗√ Donde: = Desviación estándar de los índices anuales. =Promedio del índice de confiabilidad anual. (15) 401 =Número de iteraciones. A continuación se procederá a mencionar los pasos a seguir para la simulación del método Monte Carlo para determinar el índice de confiabilidad en un sistema de transmisión: Se realiza una determinación del año a evaluar en horas, por lo tanto el tiempo de análisis se inicia en cero. Se procede a realizar una generación aleatoria numérica entre 0 y 1 con una distribución uniforme, aplicando la transformación inversa para obtener la función de probabilidad de falla en un determinado tiempo ( ) del sistema de transmisión, siempre se debe considerar el criterio de contingencias N-1. Una vez generado el tiempo de falla se realiza la tomando este tiempo determinación del mínimo del como un valor referencial para sistema y se condiciona si el > 1 año no se debe almacenar los índices para ese año, lo cual se procede a la siguiente interacción del año. Para el tiempo exacto de la falla se determina el estado de demanda y la cantidad de potencia a importar en el sistema de transmisión. Por consiguiente, se requiere realizar un flujo de carga basándose en el estado de disponibilidad para verificar estabilidad del sistema, tensiones adecuadas entre valores 0,9 y 1,1 (p.u). Si el flujo de carga no se satisface a valores deseados se aplica medidas remediales hasta que sean valores correctos mencionados antes. Luego se realiza la generación de un tiempo de reparación ( ) de la falla, aplicando la transformación inversa se obtiene la función de probabilidad de reparación en un determinado tiempo ( ) del sistema de transmisión para regresar a la operación normal del sistema. La evolución del tiempo final pasa a ser la suma del tiempo de falla y tiempo de reparación y si es mayor que 1 año se calcula el índice promedio anual en cada iteración. Por último la simulación se detiene cuando el número de iteraciones se concluya y el cálculo de error de los índices sea el deseado alrededor del 5%. El error relativo se calcula mediante la ecuación (15). La probabilidad de fallo en la evaluación de confiabilidad es habitualmente mucho menor que 1, por lo tanto mientras más grande sea el número de muestras (N) es más preciso el método Monte Carlo para una estimación aproximada al valor real [22][26]. IV. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Para la formulación del problema se considera dos líneas y conectadas paralelamente de de transmisión, manera que se aplican fallas aleatorias en cualquiera de las líneas lo cual se perderá redundancia del sistema, las condiciones del sistema requiere al menos una línea de transmisión en estado de servicio (operación). Las tasas de y y las tasas de reparación se fracaso de define denota μ y μ . Para calcular el índice de confiabilidad ( ) del sistema se necesita un escenario de duración de servicio de un periodo (T), Si no se toma en cuenta la reparación puede resolverse de forma analítica, entonces se puede determinar 402 ( IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 14, NO. 1, JAN. 2016 ) de la siguiente manera: = 1 − (1 − − 1 )(1 − − 2 ) (16) Cuando se considera las reparaciones la resolución analítica es muy complicada para determinar la confiabilidad del sistema, por tanto se necesita analizar probabilísticamente mediante la utilización de la simulación de Monte Carlo estableciendo una generación de (N) números aleatorios de 0 y 1, por lo tanto se define las variables cuando ocurre lo siguiente: Si = 1; se obtiene el sistema fuera de servicio (probabilidad de falla). Si = 0; se obtienen el sistema en operación. Basándose en este muestreo al azar se obtiene la determinación para la estimación de la confiabilidad del sistema en un tiempo T, se calcula con la siguiente expresión: =1− ∑ (17) Donde: N= número de experimentos o iteraciones. = número de veces de fracasos igual a 1. Mediante la ecuación (17) se puede realizar la evaluación de confiabilidad del sistema en un intervalo [0 1], donde ocurra una ≥ 0,75 el sistema se considera altamente confiable, si 0,5 ≥ ≥ 0,75 el sistema es medianamente confiables y para valores ≤ 0,5 sistema no confiable. A continuación se detalla el algoritmo utilizado en el modelo: Algoritmo de Simulación Monte Carlo Paso 1: N = # experimentos. Paso 2: = # aleatorios. resp= [ ]; %vector índices confiabilidad. Paso 3: Para todo: i<N Haga: = rand; [0, 1] = 1, entonces Paso 4: Si: n= n+1 = 1- (n/N); % índice confiabilidad. Paso 5: Paso 6: resp (i)= ; %almacenar en el vector. Paso 7: plot (resp), ir a Paso 3 hasta i<N V. ANÁLISIS DE RESULTADOS En la Fig.2 se visualiza la demostración de la determinación del índice de confiabilidad para dos líneas de transmisión conectadas en paralelo como componentes reparables vs el número de experimentos o eventos aleatorios a generar, se realizó para un número de iteraciones igual a 100, se origina una aleatoriedad estocástica de las fallas de números ( ) de 0 y 1, cuando ocurre un evento igual a 1 el sistema está en un estado fuera de servicio (indisponible) y lo contrario cuando ocurre 0, como resultado de la estimación de confiabilidad del sistema al final de la iteración se obtiene un índice de 0,43. Figura 2. Evaluación de Confiabilidad de un sistema de transmisión para N=100, =0,43. La Fig. 3 se observa la estimación del índice de confiabilidad bajo las mismas condiciones de las variables aleatorias ( ) de 0 y 1 pero se evalúa para un número de iteración mayor a 100, siendo N= 1000 (iteraciones), como resultado de la estimación de confiabilidad del sistema paralelo como componentes reparables se obtuvo una estimación ( ) igual a 0,51. Figura 3. Evaluación de Confiabilidad de un sistema de transmisión para N=1000, =0,51. En las dos figuras se generan las gráficas para cada iteración (i<100 ó 1000), con su valor estimado de confiabilidad para cada iteración, por esa razón se origina la variabilidad de las gráficas con el objetivo que en cada iteración va estimando el valor de confiabilidad minimizando el error, por consiguiente se define en la simulación de Monte Carlo que entre mayor números de experimentos se realice, se obtendrá una mejor estimación de la confiabilidad aproximándose al comportamiento real del sistema que se requiere pero eso quiere decir, que la convergencia del método de Monte Carlo se incrementa en el tiempo para la evaluación. VI. CONCLUSIONES Y FUTUROS TRABAJOS Se reconoce la aleatoriedad de las fallas por ser impredecibles para el ser humano, las fallas en un sistema de transmisión pueden causarse por diversos factores como, perturbaciones climáticas, sobrecargas, cortocircuitos, etc, estos constituyen el complejo condicionante de su comportamiento operativo de los sistemas. Las fallas a HARO AND INGA : STATE OF ART, RELIABILITY ASSESSMENT grandes dimensiones producen apagones (blackout) en cascadas la cual la acumulación de todas las fallas llega a colocar en un estado de indisposición del sistema de transmisión interrumpiendo el servicio ofrecido a los abonados, sabiendo que la energía no suministrada tiene un costo considerable para las empresas del sistema eléctrico. Por ello es necesario evaluar el índice de confiabilidad del sistema de transmisión bajo dos aspectos adecuación y seguridad, de tal manera se refieren a una buena condición de disponibilidad de infraestructura y capacidad de soportar perturbaciones, fallas imprevistas. La confiabilidad también depende de la configuración de los sistemas de transmisión que se describe como la capacidad de redundancia del sistema, que sería un componente auxiliar paralelo al principal para cubrir su función en caso de ocurrencia de una falla en el principal. La estimación del índice de confiabilidad se determina cuantitativamente por métodos probabilísticos, el método de Monte Carlo ofrece resolver dichos problemas probabilísticos aleatorios complejos, su algoritmo se lleva a cabo con la generación de números aleatorios bajo un número determinado de experimento obteniendo una simulación estadística como si se analizara el sistema durante años con el fin de predecir el comportamiento real de los sistemas, pero una de la desventaja de este método es el tiempo de iteraciones, lo cual puede ser un factor crítico si no se dispone de una buena capacidad de cómputo, ya que entre más años se analice la estimación es mejor. Para futuros trabajos se planteará la capacidad de un modelo matemático aportando en la estimación de confiabilidad de un sistema de transmisión con una configuración tipo anillo bajo el mismo método Monte Carlo para visualizar el comportamiento real y tomar decisiones para mejorar la confiabilidad en algunos tramos del sistema de transmisión. REFERENCIAS [1] C. Dichirico and C. Singh, “Reliability analysis of transmission lines with common mode failures when repair times are arbitrarily distributed,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 3, no. 3, pp. 1012–1019, Aug. 1988. [2] W. Li, X. Xiong, and J. Zhou, “Incorporating fuzzy weather-related outages in transmission system reliability assessment,” IET Gener. Transm. Distrib., vol. 3, no. 1, pp. 26–37, Jan. 2009. [3] K. Wang, G. Sheng, and X. Jiang, “Risk assessment of transmission dynamic line rating based on Monte Carlo,” 2011, vol. 2, pp. 398–402. [4] X. Du and W. 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He is a professor of Universidad Politécnica Salesiana- Ecuador and director of Electrical Engineering.