Descripción Funcional de QuickStab ® Advanced

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Descripción Funcional de
QuickStab® Advanced
QuickStab® Advanced (QuickStab®) está siendo utilizado en tiempo real para monitorear el
margen de estabilidad estática y de voltaje de los sistemas de transmisión de LIPA, New York
(USA), ETESA (Panamá), Transelectrica (Rumania), y de los sistemas de transmisión bajo la
jurisdicción operativa del ISO (Independent System Operator) en Bosnia y Herzegovina y,
respectivamente, del Operador de Transmisión y Mercado (EMS) en Serbia. Además,
QuickStab® ha sido implementado en varias otras modalidades (validación de programación
de mercado, planeamiento de operaciones, DTS, etc.) en los centros de control de Electricity
of Vietnam EVN (Vietnam), OPSIS (Venezuela) y CTEEP (Sao Paulo, Brasil). La excelente
eficiencia del algoritmo, con tiempo de respuesta de la orden de un segundo para sistemas de
potencia que alcanzan miles de nodos, permite utilizar QuickStab® para toma rápida y
confiable de decisiones operativas y brinda los siguientes beneficios:

Mejorar la confiabilidad de la operación del sistema eléctrico debido a un conocimiento
permanentemente actualizado, y más preciso, de los limites de cargabilidad y
estabilidad estática y de voltaje del sistema de transmisión

Maximizar la eficiencia de utilización de la red de transmisión

Mejorar los procedimientos de análisis de seguridad, tanto en tiempo real como en
escenarios a corto y mediano plazo, con la identificación instantánea de los estados
que se encuentran cerca del limite de instabilidad estática

Desarrollar estrategias preventivas y correctivas para mejorar la estabilidad estática y
de voltaje del sistema de potencia.
Consideraciones Generales
La capacidad de transferencia de potencia desde generadores, incluyendo importación a través de
líneas de interconexión, hacia cargas, incluyendo exportación, está limitada por restricciones
térmicas, de tensión y de estabilidad. Su valor máximo, o cargabilidad máxima, corresponde al
limite de estabilidad donde las tensiones colapsan y los generadores pueden salir fuera de
sincronismo.
La distancia entre el valor total de la potencia transferida en la red y la cargabilidad máxima es
llamada reserva de estabilidad estática. La cargabilidad máxima cambia con cada flujo de carga y
estimación de estado, puede ser muy diferente de los valores precalculados fuera de línea para
situaciones típicas, y su violación significa blackout. Ya que operar el sistema sin conocer el
valor actual de su reserva de estabilidad es muy riesgoso, es imprescindible poder calcular y
actualizar frecuentemente este índice.
QuickStab® resuelve este problema con gran rapidez, lo que es esencial tanto en tiempo real,
donde las decisiones de despacho deben ser rápidas y seguras, como fuera de línea, en
programación de operaciones y mercados, donde la reserva de estabilidad debe ser recalculada
para cada escenario operativo. Dado un caso resuelto del Estimador de Estado o una solución de
un cálculo de flujo de potencia, QuickStab®:
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Descripción Funcional de QuickStab® Advanced

Utiliza un método rápido de análisis de estabilidad estática y de voltaje para calcular tanto la
cargabilidad máxima como la potencia que puede ser transferida dentro de un margen de
seguridad predefinido. Los cálculos pueden ser ejecutados para el sistema eléctrico completo
representado en el caso de entrada u, opcionalmente, por una o varias sub-áreas del sistema
completo a condición que el sub-area, o la combinación de sub-áreas, constituyera una red
topológicamente conexa

Ejecuta la secuencia completa de cálculos de estabilidad estática y de voltaje para escenarios
de contingencias y, dada una lista de contingencias simples y/o múltiplas, de transmisión y/o
de generación, las evalúa, a opción del usuario, una por una o de manera ininterrumpida
(non-stop) y las ordena en función del valor de la reserva de estabilidad de cada una

Ejecuta cálculos de estabilidad a nivel de barra, identificando los nodos críticos y mostrando
el impacto de los generadores sobre cualquier nodo

Presenta los resultados tanto gráficamente (charts and graphics) como en formato texto
(tabular displays), de manera intuitiva y de fácil interpretación.
Modos de Implementación
El modo básico de implementación de QuickStab® es como una aplicación de tipo independiente
(stand-alone application). Adicionalmente, su “motor de cálculo” (computational engine) puede ser:

Integrado totalmente (seamlessly integrated) con las secuencias de Análisis de Redes en
Tiempo Real y Modo Estudio en sistemas SCADA/EMS

En paralelo (loosely integrated) con estimadores de estado o programas de flujo de potencia
de terceros.
Esta gran flexibilidad operacional de QuickStab® permitió su implementación en tiempo real en
varios centros de control en Europa (Transelectrica, Rumania y EMS, Serbia, por AREVA, y el
ISO de Bosnia y Herzegovina, por Siemens), América Central (ETESA, Panamá, por ABBNM)
y los EE.UU. (LIPA, New York, integración con el Estimador de Estado de Siemens Power
Technologies, Inc. ejecutada por ECI).
Entradas (Input)
Los datos de entrada requeridos por QuickStab® incluyen:

La salida del Estimador de Estado, o un flujo de potencia resuelto, en un formato
comúnmente utilizado en la industria1, como, por ejemplo, PSS/E (Power Technologies Inc.),
IEEE Common Format, PSLF (General Electric International Inc.) y ANAREDE (CEPEL)

Las reactancias síncronas y transitorias de los generadores y compensadores síncronos

Las reactancias de los transformadores elevadores (step-up transformers)

Las características P-Q de las unidades generadoras.
1
®
®
®
Formatos aceptados por Build_LFS y QuickStab Express. QuickStab Contingency Express y QuickStab MaxLoad Express
solamente trabajan con los formatos PSS/E 23, 26, 27, 28, 29, 30 y 31, y Common IEEE Format
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Procesamiento (Process)
A partir del caso resuelto del Estimador de Estado o de la solución de un cálculo de flujo de
potencia, QuickStab® utiliza un método de solución de estabilidad estática y de voltaje para
determinar, en ámbito de sistema:

La distancia entre el punto de operación actual y el limite estabilidad donde las tensiones
colapsan y los generadores pueden salir de sincronismo -- esta distancia es llamada reserva
de estabilidad estática

El estado de operación segura correspondiendo a un margen de seguridad definido por el usuario.
Los generadores, compensadores síncronos y/o inyecciones de potencia a través de líneas de
interconexión que pudiesen provocar inestabilidad son identificados y ordenados en función de
su impacto sobre la estabilidad estática de la red de transmisión. Además, QuickStab® determina
la repartición de MW (MW schedules) entre generadores e inyecciones de interconexión:

Correspondiendo al estado crítico, definido como el estado inmediatamente anterior al punto
donde las tensiones colapsan y los generadores pueden salir fuera de sincronismo

Para el estado de operación confiable correspondiendo al margen de seguridad definido por
el usuario

Para un estado hipotético que correspondería a un régimen operativo ideal con estabilidad
máxima a nivel de sistema -- los MW calculados para el régimen hipotético de estabilidad
máxima pueden ser utilizados a título indicativo para configurar, cuando fuera necesario,
estrategias correctivas.
Debido a su capacidad de procesamiento multi-area, QuickStab® permite ejecutar estos cálculos
tanto para la red completa, en su totalidad, como para cualquier sub-área especificada por el
usuario. Esta capacidad del programa resulta extremamente útil cuando la red de transmisión
incluye sub-áreas débiles, llamadas secciones críticas, donde la inestabilidad estática y de voltaje
puede ocurrir a través de líneas de interconexión mismo que los flujos en dichas línea no hayan
alcanzado los limites térmicos. Cuando se evalúan escenarios de contingencias, dos modos de
operación son posibles:

Ejecutar los cálculos, al empezar con un flujo de potencia completo basado en la tecnología
Newton-Raphson y continuando con la secuencia completa de cálculos de estabilidad estática
y de voltaje, de manera “step-by-step”, esto es, parando momentáneamente después de cada
caso para permitir al usuario que examinara los resultados en detalle para cada contingencia

Ejecutar los cálculos de manera “non-stop”, lo que obviamente brinda gran rapidez y,
además, es el modo de ejecución recomendado para ejecución periódica en tiempo real.
Al final de los cálculos, las contingencias son ordenadas en función de la reserva de estabilidad del
cada caso. Los resultados correspondiendo al caso básico y, respectivamente, a la peor
contingencia, son almacenados para poder desplegarlos ulteriormente. Este proceso es ilustrado en
la Figura 1.
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Figura 1 Algoritmo de evaluación de contingencias utilizado por QuickStab®
La funcionalidad de análisis dinámico de contingencias de QuickStab® permite evaluar el
impacto de un amplio abanico de eventos que pueden ser combinados en escenarios de
contingencias múltiples, incluyendo:

Salida y entrada de componentes del sistema de transmisión, como, por ejemplo, líneas,
transformadores, shunts y bancos de condensadores

Salida y entrada de cargas

Salida y entrada de generadores, etc.
En la actualidad, la funcionalidad de análisis dinámico de contingencias de QuickStab® acoplada
con el nuevo módulo QuickStab® MaxLoad Express transforma esta herramienta en un
verdadero simulador de estabilidad estática y de voltaje y permite evaluar escenarios postulados
(what-if) donde se aumenta, o disminuye, la:

Carga en cualquier barra, o simultáneamente en varias barras, del sistema

Total del sistema
con opciones de reprogramar la generación dentro del área donde cambió la carga, al estilo del
Control Automático de Generación, o en otras áreas especificadas por el usuario, similar a lo que
sucede en mercados eléctricos.
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Adicionalmente, QuickStab® permite ejecutar cálculos de estabilidad estática y de tensión en
ámbito de nodo, esto es, para cualquier barra de carga del sistema conforme especificado por el
usuario, mostrando los generadores “vistos” desde cualquier nodo de la red de transmisión y
ordenados en función de su impacto sobre la estabilidad del nodo de estudio, y ordenar los
nodos (barras de carga) estudiados en función de sus índices de estabilidad estática y de tensión.
El método de solución utilizado por QuickStab® ha sido extensivamente documentado en la
literatura técnica internacional, como, por ejemplo, el Anexo A "Dimo's Approach to SteadyState Stability Assessment: Methodology Overview and Algorithm Validation", en el libro RealTime Stability Assessment in Modern Power System Control Centers, John Wiley & Sons and
IEEE Press, New York, NY, 2009, y el Capítulo 2 Fast Assessment of the Distance to Instability
del libro Real-Time Stability in Power Systems, Springer Verlag, ISBN 0-387-25626-1.
Las pruebas de precisión (accuracy testing), ejecutadas de manera independiente por varios
usuarios de QuickStab®, son documentadas en el:

Capítulo 3 “Accuracy Testing and Real-Time Implementation of Dimo's Stability Analysis
Technique” del libro Real-Time Stability in Power Systems, Springer Verlag, 2006

Capitulo 3 "LIPA Implementation of Real-Time Stability Monitoring in a CIM Compliant
Environment" del libro Real-Time Stability Assessment in Modern Power System Control
Centers, John Wiley & Sons and IEEE Press, New York, NY, 2009

Anexo A “Dimo's Approach to Steady-State Stability Assessment: Methodology Overview
and Algorithm Validation" del libro Real-Time Stability Assessment in Modern Power System
Control Centers, John Wiley & Sons and IEEE Press, New York, NY, 2009.
Salidas (Output)
Las salidas de QuickStab® incluyen:

Las “distancias” (márgenes de estabilidad) en MW entre el estado actual de la red de
transmisión y la capacidad máxima de transferencia (limite de estabilidad estática) y,
respectivamente, el estado de operación confiable correspondiendo al margen de seguridad
definido por el usuario

Los valores de la generación activa (MW) de cada unidad generadora y/o de la importación
(MW) en los puntos de intercambio para:

à
El estado de transferencia máxima, esto es, el limite de estabilidad estática
à
El estado de margen de seguridad
à
El estado hipotético de estabilidad máxima
Las listas de unidades de generación e interconexiones ordenadas con base al riesgo de
causar inestabilidad de régimen permanente en el sistema y, respectivamente, en función de
la capacidad de inyectar potencia (MW) en el sistema.
QuickStab® utiliza recursos de graficación para presentar estos resultados en:
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Gráficos de tipo “velocímetro” (speedometer charts), incluyendo
à
one-needle speedometer charts, donde el estado actual, el margen de seguridad y el
estado crítico son mostrados en una escala linear calibrada en MW
à
two-needle speedometer charts, donde el estado actual, el margen de seguridad y el
estado crítico son mostrados en una escala non-linear calibrada en unidades del criterio
de estabilidad, con una aguja (needle) correspondiendo al estado actual y la otra aguja
(needle) asociada al estado hipotético de estabilidad máxima
à
two-speedometer charts, donde ambos tipos de velocímetros son mostrados lado a lado
(Figura 2 – izquierda) -- cunando se evalúan contingencias, el diagrama con dos
velocímetros es disponible tanto para el caso básico como para la peor contingencia
two one-needle speedometer charts, donde aparecen, lado a lado dos velocímetros con una aguja,
uno para el caso básico y el otro para la peor contingencia (Figura 2 – derecha)
Figura 2 Gráfico de tipo Two Speedometers (izquierda) – Gráfico de tipo P-V (derecha)

linear speedometers, donde los resultados de los cálculos de contingencias son mostrados en
formato de velocímetros lineares de manera no-ordenada (Figura 3 - izquierda) o de manera
ordenada con la peor contingencia en el top del despliegue (Figura 3 derecha), el usuario
pudiendo determinar cuantas contingencias deben ser mostradas (hasta un máximo de 6)
Figura 3 Velocímetros lineares (izquierda) con el caso básico en el top del despliegue, u
ordenados (derecha) con la peor contingencia en el top del despliegue
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à

Curvas de tipo P-V – en el caso de cálculos en ámbito de sistema, este tipo de gráfico
muestra la relación entre el valor pro-medio de las tensiones en el sistema de transmisión
y los valores de la potencia total generada; cuando los cálculos son ejecutados a nivel de
barra, este tipo de gráfico muestra la relación P-V en la barra analizada
Diagramas de barra (bar charts) para ordenar los generadores y/o las líneas de interconexión
en función de su impacto sobre las condiciones de estabilidad de la red, en ámbito de sistema
(Figura 4 - izquierda), o del nodo de cargo examinado, cuando el análisis es ejecutado a nivel
de barra.
Figura 4 Diagrama de barras mostrando el impacto de los generadores sobre la estabilidad del sistema
(izquierda) -- resultados en formato tabular (derecha
Adicionalmente, los resultados son presentados en forma tabular con el texto transformado en
bit-mapped graphics format para impedir que sea alterado) y son disponibles, también, en
archivos planos (ASCII) tanto en formato texto como en formato Excel *.csv. Ejemplos de
despliegues tabulares son mostrados en la Figura 4 – derecha y, respectivamente, Figura 5.
Figura 5 Resultados de los cálculos de contingencias presentados en formato tabular
Implementaciones en Tiempo Real
QuickStab® ha sido implementado, y está actualmente siendo utilizado, en tiempo real en
sistemas SCADA/EMS instalados por Siemens-PTI (LIPA, New York, USA), AREVA
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(Transelectrica, Rumania y EMS, Serbia), Siemens (ISO de Bosnia y Herzegovina) y ABBNM
(ETESA, Panamá). Estamos ilustrando a continuación las soluciones totalmente integradas
(seamlessly integrated) con las plataformas e-terra™ (AREVA) y Spectrum (Siemens).
Figura 6 (izquierda) muestra la integración total (seamless integration) de QuickStab® con la
secuencia de Análisis de Redes en Tiempo Real y Modo Estudio en la implementación de
AREVA. El “motor de cálculo” (computational engine) de QuickStab® es disparado (triggered)
automáticamente después de cada ejecución exitosa del Estimador de Estado. La reserva de
estabilidad estática calculada por QuickStab® es registrada (recorded) en la base de datos de
tiempo real y, subsiguientemente, puede ser visualizada en diagramas de tendencias utilizando
los recursos estándar de la funcionalidad de tendencias del SCADA (Figura 6 derecha).
Network
Topology
Model Update
State Estimator
Risk of
blackout?
Yes
Alarm
No
Results
QuickStab
Computational
Engine
Contingency
Analysis
Stability check
required?
Yes
QuickStab
Computational
Engine
Risk of
blackout?
Yes
Alarm
No
Results
No
Figura 6 Integración en tiempo real del motor de cálculo de QuickStab® en la secuencia de Análisis
de Redes en Tiempo Real (izquierda) -- diagrama de tendencias mostrando la evolución de la
reserva de estabilidad estática del sistema y, arriba, el “velocímetro linear” desarrollado por
AREVA (derecha - sistema SCADA/EMS de Transelectrica, Rumania)
Una solución diferente ha sido adoptada por el ISO (Independent System Operador) en Bosnia y
Herzegovina (NOS BiH), donde, en una primera etapa, QuickStab® ha sido integrado, de manera
preliminar, por Iskra Sistemi, d.d. (Iskra), Ljubljana, Eslovenia, en paralelo (loosely integrated)
con la versión anterior del SCADA/EMS Spectrum de Siemens. La solución definitiva ha sido
implementada por Siemens quien ha integrado QuickStab® de forma “seamless” con la plataforma
Siemens Spectrum SINAUT del nuevo SCADA/EMS de NOS BiH (Figura 7).
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Figura 7 QuickStab® “seamlessly integrated” por Siemens en la plataforma SINAUT Spectrum
para el nuevo SCADA/EMS del ISO en Bosnia y Herzegovina
Sin embargo, la mas flexible solución para integrar QuickStab® con un sistema SCADA/EMS de
terceros ha sido implementada en Long Island Power Authority (LIPA), Hicksville, NY, donde
QuickStab® ha sido “semi-loosely integrated“ con el sistema PSS/ODMS entregado por Siemens
PTI. Así como se puede
notar en la Figura 8, esta
arquitectura
puede
ser
implementada dondequiera,
con cualquier sistema, e
independientemente
del
proveedor
original
del
SCADA/EMS.
Figura
8
Integración
de
QuickStab® con el sistema de
LIPA. Un “task scheduler”,
escrito por Siemens PTI,
monitorea la ejecución de la
Secuencia de Análisis de
Redes
en Tiempo
Real.
Cuando una estimación de
estado valida es disponible, el archivo es exportado en formato PSS/E a una PC que puede ser “vista”
por los usuarios de la red LAN SCADA/EMS como si fuera un disco lógico local en sus máquinas; luego,
el módulo Real-Time QuickStab® entra en acción y ejecuta los procesos de cálculos y presentación de
resultados
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En el caso de LIPA, donde el
PSS/ODMS no es un verdadero
SCADA/EMS, sino un sistema de
análisis de redes en tiempo real
conectado
al
SCADA/EMS
existente vía una barra de
integración CIM, los datos de
tiempo real son recuperados del
SCADA a través de un
Historiador (PI Historian de
OSIsoft). De la misma manera,
los resultados son escritos en el
Historiador y, subsiguientemente,
son presentados en un gráfico de
tendencias (Figura 9).
Figura 9 Monitoreo en tiempo real del riesgo de inestabilidad en LIPA. La
curva color verde representa la evolución en tiempo real de la reserva de
estabilidad del sistema. La curva color naranja muestra la reserva de
estabilidad para la peor contingencia. La línea amarilla corresponde al
margen de seguridad de 12%, que está siendo utilizado por LIPA.
UTILIZACIÓN FUERA DE LÍNEA
La versión fuera de línea de QuickStab® brinda una gran variedad de facilidades de activación,
por ejemplo, modo interactivo (mostrado en la figura abajo), modo batch, a partir de la línea de
comando, y en modo parent-child, esto es, disparar el QuickStab® dentro de otros programas de
aplicación.
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