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SISTEMAS ELCTRICOS DE POTENCIA III
UNIVERSIDAD POLITCNICA SALESIANA
ESCUELA DE INGENIERA ELCTRICA
DOCENTE:
Ing. Pablo Mndez Santos, Mg.SEP
Introduccin a la Operacin de un Sistema Elctrico de Potencia
Introduccin
Un sistema de potencia se dice que est funcionando en un estado
"estable si:
Permanece funcionando en un estado operativo de rgimen aceptable (las variables elctricas del sistema (tensin, corriente, etc.) se mantienen constantes al
pasar el tiempo y dentro de un rango de valores
aceptables)
Cuando es perturbado desde un estado operativo de
rgimen aceptable es capaz de retornar en un tiempo
aceptable a un estado operativo de rgimen aceptable
sistemas elctricos de potencia 3 2
Introduccin
Las variables que clsicamente se controlan para vigilar la estabilidad
del sistema de potencia son:
ngulos (posicin) de los rotores de las mquinas (estabilidad "de ngulo")
Tensin de las barras de la red (estabilidad "de tensin")
Las perturbaciones que pueden afectar el normal funcionamiento de un
sistema son:
Variaciones de carga
Cortocircuito en una lnea Actuacin de protecciones Cambio en transferencias de potencia en la red Cambios en
velocidad de rotores y tensiones de barra Actuacin de
reguladores de tensin, velocidad Variacin de las potencias
de las cargas Actuacin de controles centralizados potencia-
frecuencia Nuevo estado de equilibrio
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Introduccin
Clasificacin del problema de la estabilidad en un sistema de potencia.
sistemas elctricos de potencia 3 4
Introduccin
Estabilidad de ngulo
Las variables a monitorear son los ngulos (relativos a una mquina de
referencia) de los rotores de las mquinas que oscilan luego de una
perturbacin (si el sistema es estable las mquinas interconectadas
permanecen "en sincronismo")
ngulo
Potencia mecnica aplicada al
rotor
Potencia elctrica transferida a la
red
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Introduccin
Estabilidad de ngulo
Caso estable:
Aumento de velocidad
de un generador
Aumento de ngulo
Aumento de potencia
elctrica transferida
Disminucin de
velocidad del
generador
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Introduccin Estabilidad de voltaje
Las variables a monitorear son las tensiones de las barras de la red.
Inestabilidad a las pequeas perturbaciones o "esttica" (variaciones cuasiestticas de carga):capacidad de transferencia
de una red en rgimen. Mtodos estticos no lineales (flujo de
cargas). Ejemplo: Aumento "lento" de carga en un sistema radial
(curvas PV)
Inestabilidad a las grandes perturbaciones ("dinmica").Mtodos de simulacin en el tiempo.
Transitoria: anlisis conjunto con la estabilidad transitoria de ngulo
Mediano o largo plazo: simulacin en el tiempo de fenmenos de dinmica lenta (minutos) Ejemplo: Aumento de
carga Salida de generadores por actuacin de limitadores
trmicos Cada de tensin Aumento de cargas
controladas por termostatos, actuacin de reguladores bajo
carga de transformadores (aumento de tensin en bornes de
la carga),etc Aumento de carga Cada de tensin
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Estados de Operacin de un SEP
Durante la operacin de un SEP, pueden ocurrir perturbaciones
originadas por maniobras previstas o bien por situaciones extremas
de carcter aleatorio, que originan una transicin a nuevos
estados desde el estado de operacin normal del sistema, donde no se presentan violaciones en las restricciones tcnicas y de
operacin predefinidas.
Al examinar las variables elctricas que caracterizan estos nuevos
estados puede ocurrir que todas se encuentren dentro de los lmites
admisibles o bien que alguna de ellas presente violaciones en las
restricciones mencionadas, alcanzando estados de operacin
peligrosos por su estabilidad denominados de emergencia.
Extracto del Mdulo IX sobre Anlisis de Seguridad y Acciones de Control, del curso Operacin del Sistemas Elctricos de Potencia, CENACE, Universidad Nacional de San Juan, Argentina, Autor: Ing. Benjamn Serrano., Quito 07/2001
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Estados de Operacin de un SEP
Extracto del Mdulo IX sobre Anlisis de Seguridad y Acciones de Control, del curso Operacin del Sistemas Elctricos de Potencia, CENACE, Universidad Nacional de San Juan, Argentina, Autor: Ing. Benjamn Serrano., Quito 07/2001
Por lo planteado previamente se hace necesario efectuar tareas de
supervisin y control de la operacin para evitar que el sistema opere en
estados inseguros o de emergencia, que ante nuevas perturbaciones
imprevistas podran ocasionar problemas graves en la operacin del SEP,
alcanzando en algunos casos extremos el colapso parcial o total del
sistema.
Para respaldar una reaccin veloz y segura de los operadores, es esencial
que los mismos cuenten con sistemas de adquisicin y procesamiento de
datos (Sistemas SCADA/EMS) que le provean informaciones en tiempo real
sobre mediciones de las variables elctricas, estados de aparatos de
maniobras y alarmas de actuacin de las protecciones.
Es importante tener en cuenta adems que el crecimiento sostenido que
experimentan los SSEE actuales conduce a la necesidad de instalar en los
Centros de Control sistemas de computacin de alto performance, que
permitan procesar en forma eficiente la cuantiosa informacin transmitida
desde el sistema elctrico.
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Estados de Operacin de un SEP
Estados de Operacin de un SEP
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Estados de Operacin de un SEP
Estados normales (seguros)
En esta situacin los operadores de los centros de control aplican las
acciones necesarias para cumplir con las funciones de seguimiento de
la demanda, coordinacin de la conexin/desconexin de
componentes (en operacin normal y para tareas de mantenimiento) y
optimizacin de costos operativos y recursos energticos disponibles,
satisfaciendo requerimientos tcnicos y de operacin del sistema.
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Estados de Operacin de un SEP
Estados normales (seguros)
Entre las acciones requeridas se pueden enumerar las correspondientes
a:
Despacho de generacin y reserva
Control de tensiones y manejo de potencia reactiva
Vigilancia de las corrientes en equipos y flujos de potencia en interconexiones
Todo esto respetando los lmites de transmisin, adecuaciones de la
configuracin y de los recursos estabilizantes al estado de carga del
sistema, coordinacin y ejecucin de maniobras para mantenimiento de
equipos, etc.
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Estados de Operacin de un SEP
Estados normales (seguros)
Ante la aparicin de una falla en algn equipo de generacin, transmisin
o compensacin, dependiendo de la magnitud de la misma y de las
reservas con que est operando el sistema, este puede mantenerse en su
estado normal o pasar a un estado de alerta, por lo que el estado de
partida se denomina estado normal seguro, ya que en ningn caso se
originaron violaciones del conjunto de restricciones planteadas.
En la situacin en que se presente una contingencia de magnitud superior
a las analizadas para definir los criterios de seguridad del sistema
considerado, podra ocurrir que el sistema pase directamente a un estado
de emergencia.
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Estados de Operacin de un SEP
Estados de alerta
En este estado an se satisface el equilibrio generacin demanda y se respetan las diversas restricciones, pero los mrgenes de reserva de
generacin activa o reactiva o bien de transmisin, se han reducido con
respecto al estado de operacin normal, debido a la prdida de algn
equipo o falta de capacidad de potencia disponible. Ante estas
condiciones puede decirse que el nivel de seguridad ha disminuido, de
modo que una simple contingencia en este estado puede derivar en la
sobrecarga de algn equipo o en el desequilibrio entre la generacin y la
demanda.
El estado de alerta tambin puede originarse aunque se mantengan los
mrgenes de reserva mencionados, debido a un aumento de la
probabilidad de sufrir perturbaciones, ya sea debido a causas climticas
severas, incendios de instalaciones u otras causas.
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Estados de Operacin de un SEP
Estados de alerta
En esta condicin los operadores deben aplicar acciones de control
preventivas para intentar restablecer el nivel de seguridad
correspondiente al estado normal. Dichas acciones pueden consistir en:
Modificaciones del despacho de generacin para incrementar la reserva de potencia activa,
Regulaciones o maniobras de equipos de compensacin para normalizar las reservas de potencia reactiva,
Transferencias de demanda mediante cambios topolgicos para redistribuir las cargas en las redes, etc.
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Estados de Operacin de un SEP
Estados de alerta
Sin embargo existen dos tipos de limitaciones que pueden impedir la
concrecin de tales acciones:
La vinculada con las restricciones de tiempo, es decir, la limitacin causada por la incapacidad de responder con la velocidad
suficiente para la solucin del problema, por ejemplo debido a los
tiempos requeridos para el arranque de generadores.
La relacionada con las restricciones de potencia, debido a que en algunos casos no se dispone de la capacidad suficiente para
afrontar los requerimientos de la demanda.
Si sucede una contingencia importante antes de que las acciones de
control preventivas se hallan completado, el sistema puede pasar a un
estado de emergencia.
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Estados de Operacin de un SEP
Estados de emergencia
A este estado se llega normalmente a partir de un estado de alerta,
debido a la presencia de fallas considerables de equipos de generacin o
de transmisin y adems cuando las acciones de control preventivas no
han podido ser terminadas.
En casos muy puntuales se podra llegar a partir de un estado normal
como consecuencia de una contingencia muy crtica de poca
probabilidad de ocurrencia, que no fue tenida en cuenta en el anlisis de
seguridad del sistema.
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Estados de Operacin de un SEP
Como ejemplo de este estado se puede mencionar:
La salida de servicio de un generador, lo cual podra producir la actuacin de rels de mnima frecuencia del esquema de alivio de
cargas y la cada de tensiones en una zona y/o sobrecarga de una
lnea o transformador.
Desconexin de una lnea de transporte que implican alteraciones en los flujos de potencia activa y en las tensiones, desenganche de una
lnea de transporte que vincula reas radiales, produciendo la
particin del sistema de modo que una de las reas queda
inicialmente con defecto o exceso de generacin con respecto a la
demanda con las consiguientes sub o sobrefrecuencia
respectivamente.
Disparo de lneas de corredores de alta transmisin de potencia que originan oscilaciones de potencia o que requiere la actuacin de
recursos estabilizantes tales como la desconexin automtica de
varios generadores, con el consecuente descenso de la frecuencia y
la actuacin del alivio de cargas.
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Estados de Operacin de un SEP
Fallas de equipos de compensacin de potencia reactiva que producen prdidas de control de las tensiones en una parte del sistema, fallas de
lneas o transformadores de distribucin que originan cortes localizados
de demanda, etc.
Adems, las perturbaciones pueden presentarse como contingencias
simples, mltiples o secuenciales.
Estados de emergencia
En algunas situaciones los efectos de las perturbaciones pueden resultar
agravados debidos a la incorrecta actuacin de algunos sistemas de
proteccin, es decir, protecciones que deberan haber actuado y no lo
hicieron, o bien protecciones que disparan interruptores ante cierta falla
para la cual no est prevista su actuacin.
Esto puede deberse a defectos en alguno de los dispositivos que integra el
sistema de protecciones, o bien a ajustes incorrectos, descoordinados o
desactualizados de los mismos, o tambin a condiciones de la red no
consideradas para su calibracin.
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Estados de Operacin de un SEP
Dependiendo del tipo y magnitud de la perturbacin, puede ser que el
estado de falla sea adecuadamente controlado por las acciones
correctivas correspondientes a los sistemas de proteccin y de control
automtico, permitiendo la restauracin del estado de alerta del cual se
parti. Sin embargo, tambin pueden requerirse ciertas acciones de control
de emergencia urgentes por parte de los operadores como por ejemplo:
Conexin (o desconexin) de generadores o reducciones operativas de demanda (reduccin de tensiones de distribucin o cortes
manuales de cargas) para controlar la frecuencia en las distintas
reas en la que el sistema puede haber quedado partido o para
controlar eventuales sobrecargas de equipos.
Acciones de sobre o subexcitacin de generadores o compensadores y/o desconexin o conexin de reactores para controlar las tensiones,
reduccin rpida de generacin para controlar oscilaciones de
potencia y evitar inestabilidades.
Estados de emergencia
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Estados de Operacin de un SEP
Apertura de interruptores para desenergizar equipos con riesgos de incendio debido a fallas no despejadas por sus protecciones, etc.
Estados de emergencia
Para actuar correctamente en esta situacin, los operadores deben
poder percibir y diagnosticar rpida y certeramente la extensin y
gravedad de la emergencia del sistema, identificando en primer lugar la
configuracin resultante del mismo (reas conectadas y reas aisladas)
y las variables relevantes de cada rea, tales como:
o Frecuencia.
o Tensiones en barras principales.
o sobrecargas de equipos.
o Demanda resultante.
o Reservas disponibles.
o Generadores fuera de servicio, estado de protecciones, etc.
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Estados de Operacin de un SEP
Estado de colapso
El estado de colapso parcial o total del sistema corresponde a un
estado de emergencia extremo, donde adems de violaciones en
algunas restricciones tcnicas y de operacin se presenta el
incumplimiento del balance entre la generacin y la demanda en
alguna rea del sistema, en un grupo de ellas o bien, en el caso ms
crtico, en todo el sistema.
El fenmeno mencionado puede desencadenarse debido a diferentes
causas tales como la inestabilidad transitoria de un grupo de centrales
importantes, la salida en cascada de generadores ante una
insuficiencia del esquema de alivio de cargas por mnima frecuencia,
un descenso incontrolado de las tensiones en una parte de la red
por insuficiencia de potencia reactiva (colapso de tensiones).
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Estados de Operacin de un SEP
Recuperacin del sistema
Una vez que el sistema mediante la aplicacin de acciones de
emergencia ha alcanzado un estado de equilibrio, caracterizado por la
insatisfaccin del balance entre generacin y demanda en alguna rea
o en todo el sistema, se debe intentar conducir el mismo a un estado
normal o, por lo menos, a uno de alerta.
Ello depender fundamentalmente de las reservas disponibles, de las
condiciones de carga activa y reactiva impuestas por la demanda y de
los equipos de generacin, transmisin o compensacin que hayan
quedado indisponibles debido a la falla.
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Estados de Operacin de un SEP
Recuperacin del sistema
Entre las acciones de control restaurativas se pueden mencionar:
El re-despacho de generadores en servicio, la reasignacin de la regulacin de frecuencia.
El arranque de generadores en reserva caliente o fra, la resincronizacin de generadores que han salido de servicio.
La reenergizacin de lneas y transformadores. Cierres de anillos en redes malladas. Reposicin de cortes de demanda. Resincronizacin de reas aisladas. Normalizacin de las tensiones, etc.
En el caso en que el estado de partida sea el correspondiente al de una
emergencia extrema tal como el colapso, se puede requerir el arranque en negro de generadores y la reconexin de bloques de demanda lo suficientemente pequeos para que sean manejables
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Estados de Operacin de un SEP
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Seguridad en la operacin de un SEP
El concepto de seguridad que aqu se presenta se refiere no a la
seguridad de las personas que trabajan constantemente en contacto
con la corriente elctrica, sino a la seguridad tcnica del sistema
elctrico.
La seguridad de un SEP corresponde a la habilidad del mismo para
soportar perturbaciones imprevistas, pero probables de ocurrir,
disminuyendo a un mnimo los cortes de energa y manteniendo la
mayor calidad de servicio. Su incumplimiento podra provocar serios
problemas en el sistema.
El anlisis de la seguridad de rgimen permanente de un SEP se
puede realizar a su vez en dos mbitos de tiempo diferentes:
Condiciones
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Seguridad en la operacin de un SEP
sistemas elctricos de potencia 3 30
Seguridad en la operacin de un SEP
Seguridad Off-line: Este tipo de evaluaciones se realizan generalmente para perodos largos de tiempo, normalmente
mayores que un da y se utilizan a modo de estudio del sistema y
vinculados principalmente a la planificacin del crecimiento del
mismo. En esta etapa no existen restricciones de tiempo de clculo.
Seguridad On-line: Este tipo de evaluaciones se realizan generalmente durante la operacin y control del sistema elctrico
desde los despachos de carga, en perodos que van desde los 15
minutos a 1 hora.
El objetivo aqu es poder realizar un seguimiento on-line del sistema y
rpidamente poder brindar a los operadores elementos de juicio que
les permitan tomar decisiones para el control y mejoramiento de la
seguridad. En esta etapa existen severas restricciones de tiempo de
clculo.
Anlisis de seguridad
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Seguridad en la operacin de un SEP
Ambos anlisis son bsicamente los mismos diferencindose en la forma
de ejecutar los siguientes pasos:
1. Seleccionar/armar la red base y preparar los datos correspondientes.
2. Seleccionar el grupo de contingencias a simular.
3. Simular la aparicin de cada una de las contingencias propuestas.
4. Interpretar los resultados de las simulaciones realizadas y compararlas
con las obtenidas con la red base, evaluando con ello la seguridad
existente.
5. Arbitrar los medios para encontrar medidas de control que tiendan a
lograr un mejoramiento de la seguridad.
En el mbito on-line no es necesario seleccionar/armar la red base ya
que tal caso base corresponde directamente a la situacin actual de
funcionamiento del sistema conformado a travs de los diferentes
mensajes y mediciones adquiridos y manejados a travs del SCADA en
los centros de control.
Anlisis de seguridad
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Seguridad en la operacin de un SEP
De lo detallado se observa que hay, en general, un par de tareas
estrechamente vinculadas con la seguridad, cuales son:
Evaluacin de la Seguridad: Consiste en evaluar el nivel de seguridad de un sistema simulando para tal estado de operacin un
conjunto de contingencias predefinidas. La cantidad de
contingencias simultneas a simular depende del grado de
seguridad pretendido. Esta rea debe adems proveer la
informacin necesaria para realizar la tarea de mejoramiento de la
seguridad.
Mejoramiento de la Seguridad: Consiste en formular las decisiones de control apropiadas para mejorar el nivel de seguridad del sistema,
llevndolo a un estado de operacin ms seguro.
Anlisis de seguridad
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Seguridad en la operacin de un SEP
El proceso de evaluacin y mejoramiento de la seguridad se debe realizar
en dos mbitos de tiempo diferentes. Es conveniente, para ello separar el
concepto de seguridad de la siguiente manera:
Seguridad de rgimen permanente: En esta fase se estudia el efecto que
puede causar una falla una vez que se alcance un estado de rgimen
permanente o estacionario luego de la misma. La prdida de un
componente de transmisin puede provocar, luego de pasar un proceso
transitorio, por ejemplo una sobrecarga en una lnea o en un transformador
y/o una sobretensin en un nodo del sistema.
Anlisis de seguridad
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Seguridad en la operacin de un SEP
Seguridad de rgimen transitorio: Esta fase comprende la seguridad que existe durante el proceso transitorio que se manifiesta inmediatamente
luego de una falla y hasta alcanzar el estado estacionario.
Determinadas perturbaciones pueden guiar el sistema a inestabilidades
transitorias antes de alcanzar cualquier estado estacionario. La prdida de
un componente crtico puede causar, por ejemplo, la prdida de
sincronismo de los generadores que intervienen en el sistema, si no hay
adecuadas medidas estabilizantes integradas en el sistema.
Fundamentalmente dependiendo del tipo de sistema elctrico y
eventualmente de la contingencia analizada puede ser ms importante
evaluar una seguridad respecto a la otra o ambas. Esto depender
justamente de la medida en que una falla en un componente provoque
situaciones crticas durante el transitorio o durante el estado permanente.
Anlisis de seguridad
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Seguridad en la operacin de un SEP
Anlisis de seguridad
Anlisis de seguridad
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Operacin en tiempo real
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Operacin en tiempo real
Centro de control de energa (Red Elctrica de Espaa)
Centro de control de la transmisin
(Transelectric Ecuador)
Centro de control de energa (CENACE -Ecuador)
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Operacin en tiempo real
Anlisis de contingencias
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Para evaluar la seguridad de un SEP es necesario definir primeramente un
criterio de seguridad y luego disponer de herramientas de clculo que
sean capaces de simular los diferentes escenarios que se podran
presentar.
Bsicamente se dice que un sistema posee seguridad "n" si para el
sistema base con los n componentes en operacin no se presentan
restricciones de operacin insatisfechas.
De la misma manera se dice que un sistema posee seguridad (n-k) si
tanto para el sistema base con n componentes en operacin como para
todos los sistemas que surgen de considerar las diferentes configuraciones
al fallar k componentes simultneamente no se presentan restricciones
de operacin insatisfechas.
Anlisis de contingencias
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Un criterio prctico consiste en considerar un grado de seguridad (n-1) y
bajo ciertas circunstancias un grado de seguridad (n-2).
En el primer caso se deberan evaluar todos los estados de operacin del
sistema que surgen con motivo de la salida de servicio de un
componente de transmisin (lnea o transformador) o de un generador
por vez en forma secuencial.
En el segundo caso deberan contemplarse adicionalmente todos los
casos combinados de salidas de servicio de dos componentes en forma
simultnea. Esta tarea se realiza a travs del anlisis de contingencias de
componentes elctricos.
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Anlisis de contingencias
Puede observarse la existencia de diversos estados crticos:
Los estados 6,7,11 y 13 implican un apagn generalizado o
blackout
En los casos 6 y 13 debido a insuficientes recursos de
generacin y red respectivamente, y en los casos 7 y 11
debido a la falta de recursos de potencia reactiva.
Los casos 1,2,8,9,10,12,14 y 15 presentan tensiones
excesivamente bajas, problema que en el caso 2 se aade a
la sobrecarga de la lnea 1-3
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Anlisis de contingencias
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Material recopilado de la materia de Anlisis de SEPs, dictada por el Ing. Santiago Torres PhD, Maestra de Sistemas Elctricos de Potencia, Universidad de Cuenca, 2008
Extracto del Mdulo IX sobre Anlisis de Seguridad y Acciones de Control, del curso Operacin del Sistemas Elctricos de Potencia,
CENACE, Universidad Nacional de San Juan, Argentina, Autor: Ing. Benjamn Serrano, Quito, junio 2001
Fuentes Bibliogrficas: