Articulo - Simulación de Esquemas de Teleprotección

8/12/2019 Articulo - Simulacin de Esquemas de Teleproteccin

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SIMULACIN DE ESQUEMAS DE TELEPROTECCION: TRANSFERENCIADE DISPARO PERMISIVO POR SOBREALCANCE Y BLOQUEO POR

COMPARACIN DIRECCIONAL EN EL PROGRAMA CAPE

Ing. Juan Marcelo Tor rez Baltazar________________________________________________________________ In g . Fi del M. Len So ssa

Resumen. El presente artculo describe los esquemas de teleproteccin ms empleado por losagentes transmisores del Sistema Interconectado Nacional, como ser el Esquema deTransferencia de Disparo Permisivo por Sobrealcance (POTT) y el Bloqueo por ComparacinDireccional (DCB). Se empleo el programa CAPE para la simulacin dinmica de estos esquemasde teleproteccin, verificndose su operacin durante fallas dentro y fuera de la lnea protegida.

Palabras claves. CAPE, esquemas de teleproteccin, proteccin de lneas de transmisin,funciones de distancia y sobrecorriente direccional, modelacin y simulacin digital, SIN.

1. INTRODUCCINLa Norma Operativa No. 17Protecciones

del CNDC, seala que las lneas detransmisin del Sistema Troncal deInterconexin (STI), as como en otras lneasen 115 kV o tensiones mayores, las fallasdeben ser despejadas en forma instantnea,cualquier sea el punto de ubicacin de lasmismas en el SIN. En este sentido lasempresas transmisoras como TDE, ISA yENDE han implementado esquemas de

teleproteccin en sus lneas para cumplir coneste requerimiento, y adems facilitar lareconexin automtica monofsica y/otrifsica.

Dentro de las empresas de transmisinexisten tendencias a la implementacin deuno u otro esquema de teleproteccin, es asque por ejemplo TDE emplea casiexclusivamente el esquema de bloqueo porcomparacin direccional, mientras que ISAutiliza solo el esquema de transferencia dedisparo permisivo por sobrealcance. ENDE alcontar con comunicacin por fibra ptica en lamayora de sus lneas de transmisin, utilizaun esquema de comparacin de corrientesdiferencial.

La inclusin de los sistemas de teleproteccinen el estudio dinmico de las proteccionespermite un anlisis ms real de su operacindurante diferentes tipos de fallas. En elprograma CAPE, si bien los rels de

proteccin permiten la inclusin de los ajustesde los esquemas de teleproteccin, no tienenhabilitado su operacin en los modelos de losrels. Para resolver este problema, el

programa habilita elementos auxiliares quepueden ser supervisados por mltipleselementos, como ser funciones de rels,estado de interruptores o lgicas de contacto,que pueden ser empleadas en la construccinde cualquier esquema de teleproteccinconvencional.

2. ESQUEMAS DE TELEPROTECCINLos esquemas de teleproteccin emplean

canales de comunicacin para comparar

informacin de los terminales de la lnea yrealizar un despeje de alta velocidad parafalla en el 100% de la lnea protegida [1]. Losesquemas de teleproteccin se puedenclasificar de la siguiente manera:

Esquemas de comparacin direccional

Esquema de comparacin solo decorrientes (Diferencial o comparacin defases)

En un esquema de comparacin direccional,elementos de sobrecorriente direccionalinstantnea o de distancia mirando haciaadelante y atrs, suministran informacin parael esquema lgico en cada terminal de lnea.Los elementos que miran hacia adelante sonajustados para sobre alcanzar el terminalremoto con suficiente margen para detectartodas las fallas internas. Para falla dentro dela lnea, ambos elementos que miran haciaadelante operan, mientras que para fallaexternas un elemento que mira hacia adelante

y otro que mira hacia atrs operan. Losesquemas utilizan esta informacin en cadaterminal para proporcionar un disparo


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acelerado en caso de fallas internas. Loselementos en subalcance (p.e. zona 1) decada terminal proporcionan proteccininstantnea, los cuales son independientes delos esquemas de teleproteccin.

Los esquemas de teleproteccin porcomparacin direccional no requieren uncanal de gran ancho de banda, debido a quelos rels intercambian informacin solo delestado de sus elementos direccionales o dedistancia. Requerimientos tpicos de ancho debanda son de 0.5-1.5 kHz para canalesanalgicos y 9.6 kbps para canales digitales.Los esquemas de comparacin direccional seclasifican de la siguiente forma:

Transferencia de disparo directa porsubalcance (DUTT)

Transferencia de disparo permisivo porsubalcance (PUTT)

Transferencia de disparo permisivo porsobrealcance (POTT)

Bloqueo por comparacin direccional(DCB)

Desbloqueo por comparacindireccional (DCUB)

2.1. Transferencia de Disparo Permisivopor Sobrealcance (POTT)

El esquema POTT emplea un elementoen sobrealcance (RO) para disparar elinterruptor local y enviar una seal de disparopermisivo al extremo remoto. Si el elementoen sobrealcance del extremo remoto detectauna falla, el rel dispara su interruptor cuandoeste recibe la seal permisiva. Debido a queel esquema emplea un elemento ensobrealcance para enviar el permiso, se

necesita una lgica de supervisin adicionalpara mantener la seguridad bajo condicionesde reversibilidad de corriente en lneaparalelas. El elemento en sobrealcance delesquema POTT proporciona una mejorcobertura ante fallas de alta resistencia, quelas proporcionadas por los esquemas DUTT yPUTT [2]. A continuacin se muestra la lgicade disparo del esquema POTT.

RX

TX

RX

TX

Disparointerruptor

Disparointerruptor

TX: Transmisor de teleproteccinRX: Receptor de teleproteccinRO: Debe ser ajustado para sobrealcance

RO

RO

RO&

RO&

Figura 1.Diagrama de operacin simplificadodel esquema POTT.

2.2. Bloqueo por Comparacin Direccional

A diferencia del esquema POTT, el cual

enva una seal de disparo permisivo cuandose detecta una falla en la direccin haciaadelante, el esquema de bloqueo porcomparacin direccional enva una seal debloqueo cuando este detecta una falla en ladireccin hacia atrs (reversa). La siguientefigura muestra el diagrama de operacinsimplificado del esquema de bloqueo porcomparacin direccional.

tc

RX

TX

RX

TX

Disparointerruptor

Disparointerruptor

TX: Transmisor de teleproteccinRX: Receptor de teleproteccinRO: Debe ser ajustado para sobrealcance

B: Debe ser ajustada para alcanzar ms all del sobrealcancedel extremo remoto

tc: Tiempo de coordinacin requerido para permitir la recepcinde la seal de bloqueo (Tiempo de canal + tiempo depropagacin + margen de seguridad)

RO

RO

RO&

RO&

B

tc

B

B

B

Figura 2.Diagrama de operacin simplificadodel esquema DCB.

El esquema DCB emplea un elementoinstantneo en reversa (B) para enviar unaseal de bloqueo. El elemento en reversapuede ser un elemento de sobrecorrientedireccional o un elemento de distanciamirando hacia atrs. Si el elemento enreversa detecta una falla atrs, envainmediatamente una seal de bloqueo alextremo remoto. Si el elemento ensobrealcance (RO) detecta una falla haciaadelante, el rel del extremo remoto disparasu interruptor despus de un corto tiempo decoordinacin (tc), si ste no recibe la seal debloqueo.


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3. MODELACIN DE LOS ESQUEMAS DETELEPROTECCIN EN EL CAPE

Se modelarn en el programa CAPE losdos principales esquemas de teleproteccin

(POTT y DCB) empleados por los agentestransmisores del SIN. Para el anlisis de suoperacin se emplear una lnea detransmisin del sistema, junto con susrespectivos rels de proteccin y ajustesactuales.

3.1. Esquema POTT en el CAPE

El esquema POTT requiere un elementode distancia en sobrealcance direccional

mirando hacia adelante para ver ms all dela subestacin remota. Para falla dentro de lalnea protegida, cada elemento RO operary enviar una seal por medio del transmisorXMTR al receptor RCVR en el otroextremo. Una vez que la seal es recibida, lacompuerta AND operar y disparar elinterruptor correspondiente. El diagrama deoperacin del esquema POTT, desarrolladopara el programa CAPE se muestra acontinuacin:

Figura 3.Esquema POTT en el programaCAPE.

Adicionalmente, cada extremo es equipadocon una unidad ECHO y una unidad

ECHO_RECEIVER. La funcin de la unidadECHO es la de repetir la operacin deltransmisor remoto de regreso al extremo

remoto. Considerando una falla cercana a lasubestacin B, el elemento en zona 1 del relen la subestacin B operar y abrir elinterruptor CB #2 inmediatamente. En lasubestacin A, el elemento en sobrealcance

RO (zona 2) ve la falla y enva la seal atravs de su transmisor; pero ninguna sealser enviada desde el trasmisor de lasubestacin B, debido a que oper elelemento en subalcance (zona 1) y evitar laoperacin del receptor RCVR ensubestacin A. Ahora, la operacin deltransmisor XMTR de subestacin Aocasiona la operacin del receptor RCVR desubestacin B, y debido a que el interruptorCB #2 se encuentra abierto, la unidadECHO en subestacin B opera, devolviendo

la seal al receptor ECHO_RECEIVER ypermitiendo la apertura del interruptor CB #1en subestacin A.

La siguiente figura muestra el sistema deestudio en el programa CAPE, como sepuede observar se trata de la lnea Sucre Punutuma de propiedad del agente ISABOLIVIA. Como mencionamos anteriormenteeste agente emplea el esquema detransferencia de disparo permisivo porsobrealcance (POTT) para acelerar el disparo

de las protecciones de distancia de suslneas.

Figura 4.Lnea SucrePunutuma en el programaCAPE.

La lgica de operacin se desarrollsiguiendo los lineamientos descritos en eldocumento tutorial del mdulo de Simuladorde Sistemas (SS) [3]. Para probar el esquemadesarrollado se simul una falla en la barraficticia de los reactores de subestacinPunutuma (Lnea a Sucre). A continuacin semuestran los resultados obtenidos.

3.1.1. Etapa 1: Disparo en S/E Punutumapor proteccin de distancia en zona 1(instantnea)


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Figura 5.Etapa 1Disparo proteccin 21-1 enPunutuma.

Event Summary Report

--------------------

Event 1 0.0 to 4.0 cyc; 0.000 to

0.080 sec

APPLY_SILENT_FAULT THREE_PHASE 4780

After event 1

4.0 cyc 0.080 sec

Fastest Primary:

Primary LZOP at PUNUTUMA: LINE 36 Lnea Punutuma -

Sucre; 3-pole

LZOP 0.020; Breaker 0.060; LZOP+Bkr 0.080 sec

Trip path ZD_FD Lnea PUN-SCR230 65 AUX

FD

AND ZDT1 Lnea PUN-SCR230 65 TIMER

T1 1 0.020 sec from start

Simultaneous ZD_FD Lnea PUN-SCR230 65 AUX

FD

AND ZD2 Lnea PUN-SCR230 65 DIST

Z2 2 0.020 sec from start

AND RCVR Receiver 416 AUX

0.050 sec from start

Simultaneous trip at SUCRE: Primary LZOP LINE 35

Lnea Sucre - Punutuma; 3-poleLZOP 0.050; Fastest breaker 0.060; LZOP+Bkr 0.110

Slowest breaker 0.060; LZOP+Bkr 0.110

sec

Trip path ZD_FD Linea_SUC-PUN

63 AUX FD

AND ZD2 Linea_SUC-PUN 63 DIST




Backup LZOP: None available

Desired CTI: 0.300 seconds Available CTI:

infinite (no backup) TB_LZOP - TP_LZOP

Network changes now in effect:

Open breaker on "478 PUN230"to"4780 SH_PUN230" Ckt1

at PUNUTUMA New bus "999001 PUN230" (NEWBUS1)THREE_PHASE at bus "4780 SH_PUN230"

After event 1: Fault is not cleared after

4.0 cyc 0.080 sec

Como se puede observar, la falla ensubestacin Punutuma es vista por elelemento de distancia en zona 1 en 20 ms deocurrida la misma, y al no contar con retardointencional enva disparo instantneo alinterruptor (ZDT1); el interruptor despeja lafalla en 60 ms adicionales, dando un tiempo

total de despeje de 80 ms, como se muestraen la parte inferior del reporte.Simultneamente opera el elemento de

distancia en zona 2 en 20 ms (ZD2), pero alcontar con retardo no emite seal de disparo;posteriormente 30 ms despus opera elelemento auxiliar RCVR, que recibe la sealde transferencia de disparo permisivo de

subestacin Sucre, al tratarse de una falladentro de la lnea protegida.

3.1.2. Etapa 2: Disparo acelerado en S/ESucre por esquema de teleproteccinPOTT

Figura 6. Etapa 2Disparo por esquema POTTen Sucre.


--------------------

Event 2 4.0 to 5.5 cyc; 0.080 to

0.110 sec

Open breaker on "478 PUN230" to "4780 SH_PUN230"

Ckt 1 at PUNUTUMA at "478 PUN230"APPLY_SILENT_FAULT THREE_PHASE 4780

After event 2

5.5 cyc 0.110 sec

Fastest Primary:

Primary LZOP at SUCRE: LINE 35 Lnea Sucre -

Punutuma; 3-pole


Trip path ZD_FD Linea_SUC-PUN 63 AUX

FD










at PUNUTUMA New bus "999001 PUN230" (NEWBUS1)

Open breaker on "520 SUC230"to"4780 SH_PUN230" Ckt1

at SUCRE New bus "999002 SUC230" (NEWBUS2)

THREE_PHASE at bus "4780 SH_PUN230"


5.5 cyc 0.110 sec

En subestacin Sucre, opera el elemento dedistancia en zona 2 en 20 ms (ZD2), y en los30 ms siguientes el elemento auxiliar RCVR,que recibe la seal de transferencia dedisparo permisivo de subestacin Punutuma;


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enviando inmediatamente una seal dedisparo al interruptor, que despejara la fallaen 60 ms adicionales, dando un tiempo totalde despeje de 110 ms, como se puedeobservar en el reporte.

3.1.3. Falla fuera de la lnea protegida

Se simular una falla en la barra ficticiade los reactores de subestacin Sucre (Lneaa Santivaez), fuera de la lnea protegidaSucrePunutuma.

Figura 7.Falla fuera de la lnea protegidaEsquema POTT.


--------------------

Event 1 0.0 to 19.0 cyc; 0.000 to

0.380 secAPPLY_SILENT_FAULT THREE_PHASE 5200

After event 1

19.0 cyc 0.380 sec

***********************

*** MISCOORDINATION ***

***********************

Primary LZOP: None available

Fastest Backup:

Backup LZOP at PUNUTUMA: LINE 36 Lnea Punutuma -

Sucre; 3-pole


Trip path ZD_FD Lnea PUN-SUC230

65 AUX FD

AND ZDT2 Lnea PUN-SUC230

65 TIMER T2 1 0.320 sec fromstart


negative and infinite (no primary) TB_LZOP - TP_LZOP



Ckt 1 at PUNUTUMA New bus

"999001 PUN230" (NEWBUS1)

THREE_PHASE at bus "5200 SH_SUC230"


19.0 cyc 0.380 sec

Al no contarse con una lgica de disparo

configurada en la lnea Sucre Santivaez,(lnea fallada) el programa no abre losinterruptores de la misma y se observa una

advertencia de descoordinacin(MIscoordination) en el reporte delprograma. Al tratarse una falla fuera de lalnea Sucre Punutuma, el esquema deteleproteccin POTT en Sucre no enva la

seal de transferencia de disparo permisivo alextremo Punutuma, evitando su operacinacelerada, sin embargo como la falla seencuentra dentro del alcance de zona 2, elelemento ZD2 arranca en 20 ms, y activa eltemporizador de la zona ZDT2 (300 ms).Cumplido el tiempo de retardo de zona 2 seenva orden de apertura a los 320 ms,despejando finalmente la falla a los 380 ms.

3.2. Esquema DCB en el CAPE

El esquema de bloqueo por comparacindireccional requiere una funcin desobrealcance (RO) y una funcin de bloqueo(B). La funcin de sobrealcance RO es unelemento direccional hacia adelante, mientrasque la funcin B, es un elemento direccionalhaca atrs.

Figura 8.Esquema DCB en el programa CAPE.

El interruptor en cada extremo abrir si secumple las siguientes condiciones:

La funcin local RO opera y

No llega la seal de bloqueo delextremo remoto

En la construccin de la lgica de operacinse empleo la funcin de distancia en zona 2como elemento en sobrealcance (RO) y lazona 4 (reversa) como elemento mirandohacia atrs. Para fallas dentro de la lnea,cada elemento RO operar y esperar que

no se active el receptor RCVR que indicarauna falla fuera de la lnea; concluido el tiempode espera o de coordinacin (TL1) se enva la


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seal de disparo al interruptor. El tiempo deespera o de coordinacin asumido por elagente TDE es de 50 ms, que considera eltiempo de retardo de envo de la seal msun margen de tolerancia.

Para la verificacin de la operacin de esteesquema de teleproteccin, se emple elmismo caso de estudio anterior. Acontinuacin se muestran los resultados de lasimulacin:

3.2.1. Etapa 1: Disparo en S/E Punutumapor proteccin de distancia en zona 1(instantnea)

Figura 9.Etapa 1Disparo proteccin 21-1 enPunutuma..


--------------------

Event 1 0.0 to 4.0 cyc; 0.000 to

0.080 sec


After event 1

4.0 cyc 0.080 sec

Fastest Primary:

Primary LZOP at PUNUTUMA: LINE 36 Lnea Punutuma -

Sucre; 3-pole


Trip path ZD_FD Lnea PUN-SCR230 65 AUX

FD

AND ZDT1 Lnea PUN-SCR230 65

TIMER T1 1 0.020 sec from start

Simultaneous ZD_FD Lnea PUN-SCR230 65 AUX

FDAND ZD2 Lnea PUN-SCR230 65 DIST


AND TL1 TL1 424 AUX


Simultaneous trip at SUCRE: Primary LZOP LINE 35

Lnea Sucre - Punutuma; 3-pole

LZOP 0.070; Fastest breaker 0.060; LZOP+Bkr 0.130

Slowest breaker 0.060; LZOP+Bkr 0.130

sec

Trip path ZD_FD Linea_SUC-PUN 63 AUX

FD



AND TL1 TL1 421 AUX










4.0 cyc 0.080 sec

Este primer evento es similar al caso anterior,donde se observa que en la subestacinPunutuma opera la funcin de distancia enzona 1 (20 ms) con apertura inmediata delinterruptor (60 ms), dando un tiempo total dedespeje de falla de 80 ms como se observaen el grfico y en el reporte del evento.

3.2.2. Etapa 2: Disparo acelerado en S/ESucre por esquema de teleproteccinDCB

Figura 10.Etapa 2Disparo por esquema DCBen Sucre.


--------------------

Event 1 0.0 to 4.0 cyc; 0.000 to

0.080 sec


Event 2 4.0 to 6.5 cyc; 0.080 to

0.130 sec


Ckt 1 at PUNUTUMA at "478 PUN230"


After event 2

6.5 cyc 0.130 sec

Fastest Primary:

Primary LZOP at SUCRE: LINE 35 Lnea Sucre -

Punutuma; 3-pole


Trip path ZD_FD Linea_SUC-PUN 63

AUX FD

AND ZD2 Linea_SUC-PUN 63

DIST Z2 2 0.020 sec from start

AND TL1 TL1 421

AUX 0.070 sec from start




Network changes now in effect:Open breaker on "478 PUN230"to"4780 SH_PUN230" Ckt1



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Open breaker on "520 SUC230"to"4780 SH_PUN230" Ckt1

at SUCRE New bus "999002 SUC230" (NEWBUS2)



6.5 cyc 0.130 sec

En subestacin Sucre, opera el elemento dedistancia en zona 2 en 20 ms (ZD2), y en los50 ms siguientes, al no recibir seal debloqueo del extremo remoto, opera elelemento auxiliar TL1 (temporizador decoordinacin), que enva la orden de disparo.El interruptor demora en despejar la falla 60ms, dando un tiempo total de despeje de 130ms como se observa en el reporte.

3.2.3. Falla fuera de la lnea protegida

Se simular una falla en la barra ficticia de losreactores de subestacin Sucre (Lnea aSantivaez), fuera de la lnea protegida SucrePunutuma.

Figura 11. Falla fuera de la lnea protegidaEsquema DCB.


--------------------

Event 1 0.0 to 19.0 cyc; 0.000 to

0.380 sec


After event 1

19.0 cyc 0.380 sec

***********************

*** MISCOORDINATION **************************

Primary LZOP: None available

Fastest Backup:

Backup LZOP at PUNUTUMA: LINE 36 Lnea Punutuma -

Sucre; 3-pole


Trip path ZD_FD Lnea PUN-SUC230 65 AUX

FD

AND ZDT2 Lnea PUN-SUC230 65

TIMER T2 1 0.320 sec from start


negative and infinite (no primary) TB_LZOP - TP_LZOP

Network changes now in effect:Open breaker on "478 PUN230"to"4780 SH_PUN230" Ckt1


THREE_PHASE at bus "5200 SH_SUC230"


19.0 cyc 0.380 sec

Al tratarse una falla fuera de la lnea Sucre Punutuma, el esquema de teleproteccin DCBen Sucre enva la seal de bloqueo al

extremo Punutuma evitando su operacinacelerada, sin embargo como la falla seencuentra dentro del alcance de zona 2, elelemento ZD2 arranca en 20 ms, y activa eltemporizador de la zona ZDT2 (300 ms).Cumplido el tiempo de retardo de zona 2 seenva orden de apertura a los 320 ms,despejando finalmente la falla a los 380 ms.

4. CONCLUSIONES

El presente estudio utiliz las herramientasdisponibles en el programa CAPE paramodelar los esquemas de teleproteccin msempleados por los agentes transmisores delSistema Interconectado Nacional, como ser elesquema de transferencia de disparopermisivo por sobrealcance (POTT) y elbloqueo por comparacin direccional (DCB).

Como caso de anlisis se empleo la lneaSucrePunutuma de 230 kV de propiedad deISA BOLIVIA, y se emple el mdulo de

Simulador de Sistemas para la verificacin delos esquemas de teleproteccin, mediante lasimulacin dinmica de una falla dentro de lalnea protegida cerca de la subestacinPunutuma, de manera que la falla fuesedespejada en primera instancia por laproteccin de distancia en zona 1 enPunutuma, y mediante el esquema deteleproteccin en subestacin Sucre. Losresultados muestran la operacin aceleradade la proteccin en subestacin Sucre, y eldespeje inmediato de la falla.

Tambin se verific la operacin de losesquemas de teleproteccin con fallas fuerade la lnea protegida, evidenciando que losmismos no aceleran el disparo, y sondespejadas por la proteccin de respaldo enlos tiempos de operacin de la zona 2 (300ms).

REFERENCIAS

[1] Hector J. Altuve Ferrer, Edmund O. SchweitzerIII, Modern Solution for Protection, Control,and Monitoring of Electric Power Systems ,


8/8

Schweitzer Engineering Laboratories, Inc.,Pullman, WA

[2] Stanley H. Horowitz, Arun G. Phadke, PowerSystem Relaying,Third Edition, John Wiley &

Sons

[3] System Simulator Users Tutorial, ElectroconInternational, Inc., Ann Arbor, Michigan,November 2005

AUTORES

Juan Marcelo Torrez Baltazar

Ingeniero Electricista de la UMSA, miembro IEEE yusuario del programa ATP-EMTP. Realiz cursos

de especializacin en modelacin de redeselctricas y en protecciones de sistemas de

potencia.

Anteriormente form parte del equipo deinvestigacin y estudios elctricos de la CompaaBoliviana de Energa Elctrica S.A. Actualmente sedesempea como Ingeniero de Protecciones en laGerencia de Operaciones del Comit Nacional de

Despacho de Carga.

Sus reas de inters son: Sistemas de Potencia,Calidad de Energa, Sistemas Control, Estabilidad

Transitoria-Dinmica, TransitoriosElectromagnticos y Protecciones Elctricas.

Fidel M Len Sossa

Ingeniero Electricista de la UMSS, ha realizadoestudios de maestra en distribucin de Energa

Elctrica en la UMSS.

Se ha desempeado como ingeniero de Sistemasde Potencia en el CNDC desde 1997, como

Especialista en Sistemas de Potencia a partir de2005 y como Jefe de la Divisin de Anlisis

Operativo de la Gerencia de Operaciones delCNDC a partir de 2009 hasta la fecha.

Ha realizado cursos de capacitacin y

entrenamiento en el manejo de programasespecializados en ingeniera elctrica, como el

PSS/E de PTI, Power Factory de DigSILENT yCAPE de ELECTROCON.

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