10 research outputs found

    Development of the future generation of smart high voltage connectors and related components for substations, with energy autonomy and wireless data transmission capability

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    The increased dependency on electricity of modern society, makes reliability of power transmission systems a key point. This goal can be achieved by continuously monitoring power grid parameters, so possible failure modes can be predicted beforehand. It can be done using existing Information and Communication Technologies (ICT) and Internet of Things (10T) technologies that include instrumentation and wireless communication systems, thus forming a wireless sensor network (WSN). Electrical connectors are among the most critical parts of any electrical system and hence, they can act as nodes of such WSN. Therefore, the fundamental objective of this thesis is the design, development and experimental validation of a self-powered IOT solution for real-time monitoring of the health status of a high-voltage substation connector and related components of the electrical substation. This new family of power connectors is called SmartConnector and incorporates a thermal energy harvesting system powering a microcontroller that controls a transmitter and several electronic sensors to measure the temperature, current and the electrical contact resistance (ECR) of the connector. These measurements are sent remotely via a Bluetooth 5 wireless communication module to a local gateway, which further transfers the measured data to a database server for storage as well as further analysis and visualization. By this way, after suitable data processing, the health status of the connector can be available in real-time, allowing different appealing functions, such as assessing the correct installation of the connector, the current health status or its remaining useful life (RUL) in real-time. The same principal can also be used for other components of substation like spacers, insulators, conductors, etc. Hence, to prove universality of this novel approach, a similar strategy is applied to a spacer which is capable of measuring uneven current distribution in three closely placed conductors. This novel IOT device is called as SmartSpacer. Care has to be taken that this technical and scientific development has to be compatible with existing substation bus bars and conductors, and especially to be compatible with the high operating voltages, i.e., from tens to hundreds of kilo-Volts (kV), and with currents in the order of some kilo-pm peres (kA). Although some electrical utilities and manufacturers have progressed in the development of such technologies, including smart meters and smart sensors, electrical device manufacturers such as of substation connectors manufacturers have not yet undertaken the technological advancement required for the development of such a new family of smart components involved in power transmission, which are designed to meet the future needs.La mayor dependencia de la electricidad de la sociedad moderna hace que la fiabilidad de los sistemas de transmisión de energía sea un punto clave. Este objetivo se puede lograr mediante la supervisión continua de los parámetros de la red eléctrica, por lo que los posibles modos de fallo se pueden predecir de antemano. Se puede hacer utilizando las tecnologías existentes de Tecnologías de la Información y la Comunicación (1CT) e Internet de las cosas (lo T) que incluyen sistemas de instrumentación y comunicación inalámbrica, formando así una red de sensores inalámbricos (WSN). Los conectores eléctricos se encuentran entre las partes más críticas de cualquier sistema eléctrico y, por lo tanto, pueden actuar como nodos de dicho VVSN. Por lo tanto, el objetivo fundamental de esta tesis es el diseño, desarrollo y validación experimental de una solución IOT autoalimentada para la supervisión en tiempo real del estado de salud de un conector de subestación de alta tensión y componentes relacionados de la subestación eléctrica. Esta nueva familia de conectores de alimentación se llama SmartConnector e incorpora un sistema de recolección de energía térmica que alimenta un microcontrolador que controla un transmisor y varios sensores electrónicos para medir la temperatura, la corriente y la resistencia del contacto eléctrico (ECR) del conector. Esta nueva familia de conectores de alimentación se llama SmartConnector e incorpora un sistema de recolección de energía térmica que alimenta un microcontrolador que controla un transmisor y varios sensores electrónicos para medir la temperatura, la corriente y la resistencia al contacto eléctrico (ECR) del conector. De esta manera, después del procesamiento de datos adecuado, el estado de salud del conector puede estar disponible en tiempo real, permitiendo diferentes funciones atractivas, como evaluar la correcta instalación del conector, el estado de salud actual o su vida útil restante (RUL) en tiempo real. El mismo principio también se puede utilizar para otros componentes de la subestación como espaciadores, aislantes, conductores, etc. Por lo tanto, para demostrar la universalidad de este enfoque novedoso, se aplica una estrategia similar a un espaciador, que es capaz de medir la distribución de corriente desigual en tres conductores estrechamente situados. Hay que tener cuidado de que este desarrollo técnico y científico tenga que sea compatible con las barras y "busbars" de subestación existentes, y sobre todo para ser compatible con las altas tensiones de funcionamiento, es decir, de decenas a cientos de kilovoltios (kV), y con corrientes en el orden de algunos kilo-Amperes (kA). Aunque algunas empresas eléctricas y fabricantes han progresado en el desarrollo de este tipo de tecnologías, incluidos medidores inteligentes y sensores inteligentes, los fabricantes de dispositivos eléctricos, como los fabricantes de conectores de subestación, aún no han emprendido el avance tecnológico necesario para el desarrollo de una nueva familia de componentes intel

    Study of Requirements and Design of Sensors for Monitoring Water Quality and Feeding Process in Fish Farms and Other Environments

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    Se están realizando muchos esfuerzos en la acuicultura para alcanzar la sostenibilidad, sin embargo aún está lejos de ser sostenible. Sus impactos sobre el medio ambiente pueden prevenirse y corregirse mediante el uso de sensores, desarrollando la conocida como acuicultura de precisión. La calidad del agua afecta el rendimiento de los peces. La temperatura y la salinidad son algunos factores que afectan al crecimiento de los peces. Sin embargo, otros factores como la turbidez, el fotoperíodo y el oxígeno disuelto entre otros pueden afectar a las necesidades nutritivas de los peces. Ajustar la cantidad de alimento necesario es crucial para garantizar la sostenibilidad de la acuicultura y para aumentar el beneficio económico de las instalaciones. Al monitorear la calidad del agua, es posible estimar las necesidades de alimentación. Sin embargo, no es suficiente. El monitoreo del comportamiento de los peces, especialmente durante el período de alimentación, puede ayudar a adaptar el alimento proporcionado. Entonces, si está tan claro que el monitoreo puede ayudar a la producción acuícola, ¿por qué no vemos este sistema de monitoreo en las instalaciones acuícolas? ¿Por qué en la mayoría de las instalaciones la alimentación se da manualmente sin considerar el comportamiento de alimentación de los peces? El precio de los sensores para monitorizar las piscifactorías es extremadamente alto. Los sensores empleados son, en la mayoría de los casos, los mismos que se utilizan para la oceanografía. Los sistemas propuestos en la literatura cubren pocos parámetros de calidad del agua y generalmente no consideran el comportamiento de alimentación de los peces. Son necesarios sensores de bajo costo adecuados para la monitorización de la acuicultura. Esos sensores deben ser de bajo costo, bajo consumo de energía, fáciles de usar y con la posibilidad de incluirlos en una red para enviar los datos. Por lo tanto, podremos utilizar esta red de sensores y sensores para controlar la actividad, enviar alarmas si es necesario y automatizar los procesos. Además, si incluimos Internet, los datos se pueden ver de forma remota. El uso de esos sensores puede ayudar a la producción acuícola. En esta tesis mostramos el estudio de los requisitos y el diseño de sensores para monitorizar la calidad del agua y el proceso de alimentación en piscifactorías y otros entornos. Primero estudiamos en detalle los requisitos de los sensores en acuicultura. Luego mostramos el estado del arte de los sensores actuales para el monitoreo de la calidad del agua y para el monitoreo de la acuicultura. A continuación, presentamos el diseño y desarrollo de nuestros propios sensores de bajo costo y su aplicación en instalaciones de piscifactorías con sistema abierto y sistema de recirculación. Además, mostramos la posibilidad de monitorizar hasta 10 parámetros incluyendo calidad del agua (temperatura, salinidad, turbidez y presencia de hidrocarburo / capa de aceite), ambiente del tanque (nivel de agua, iluminación, presencia de trabajadores) y comportamiento de alimentación de peces (profundidad de natación de bajura, estimación de los cambios en la velocidad de nado de bajíos y la caída de alimento). El sistema propuesto, capaz de monitorear todos estos parámetros, tiene un bajo coste y bajo consumo de energía. El precio estimado es inferior a 100 € por tanque. Además, mostramos el uso de algunos de los sensores antes mencionados para el ajuste automático del proceso de alimentación de peces. Finalmente, mostramos como algunos de los sensores desarrollados se utilizan en otras áreas acuáticas naturales como manglares y estuarios. Además, se presenta un sistema inteligente para monitorear y rastrear la contaminación en los cuerpos de agua.There are many efforts done in the aquaculture to reach its sustainability, although in reality, it is far from being sustainable. Its negative impacts on the environment can be prevented and corrected by the use of sensors, developing precision aquaculture. The water quality affects to the fish performance. The temperature and salinity are some factors that affect to the fish growth. Nevertheless, other factors such as turbidity, photoperiod and dissolved oxygen among other can affect to the fish feeding needs. To adjust the amount of feed needed is crucial to ensure the sustainability of the aquaculture and to increase the economic profit of the facilities. Monitoring the water quality allows estimating the feed needs. However, it is not enough. To monitor the fish behavior, especially during the feeding period can help to adapt the provided feed. Then, if it is so clear that the monitoring can help to the aquaculture production, why we do not see this monitoring systems in the aquaculture facilities? Why in most of the facilities the feed is given manually without considering the fish feeding behavior? Nevertheless, the current price of the sensors for monitoring the fish farms is extremely high. The employed sensors are in most of the cases, the same that are used for oceanography. The proposed systems in the literature only cover some water quality parameters and usually do not consider fish feeding behavior. It is need low-cost sensors suitable for aquaculture monitoring. Those sensors must also be low-energy consumption, easy to use and with the option to include them in a network in order to send the data. Thus, we can use these sensors and sensors network to monitor the activity, to send alarms if it is necessary and to automatize processes. Moreover, including Internet, the data can be seen remotely. The use of those sensors can help to the aquaculture production. In this thesis, we show the study of requirements and design of sensors for monitoring water quality and feeding process in fish farms and other environments. First, we study in detail the requirements of sensors in aquaculture. Then, we show the state of the art of the current sensors for water quality monitoring and for aquaculture monitoring. Following, we present the design and development of some low-cost sensors and their applications in fish farm facilities with open system and recirculating system. Moreover we show a complete system which monitors up to 10 parameters including water quality (temperature, salinity, turbidity and presence of hydrocarbon/oil layer), tank environment (water level, illumination, presence of workers), and fish feeding behavior (shoal swimming depth, estimation of changes on shoal swimming velocity and feed falling). Moreover, it accomplishes the features of low-cost and low energy consumption. The estimated price for proposed system is less than 100€ per tank. In addition, we show the use of some of the aforementioned sensors for automatic adjustment of fish feeding process. Finally, some of the developed sensors are plied in other natural aquatic areas such as mangroves, and estuaries. Moreover, an intelligent system for pollution monitoring and tracking in water bodies are presented.S'estan realitzant molts esforços en l'aqüicultura per assolir la sostenibilitat, malgrat això, encara està lluny de ser sostenible. Els seus impactes sobre el medi ambient es poden prevenir i corregir mitjançant l'ús de sensors, desenvolupant la coneguda com a aqüicultura de precisió. La qualitat de l'aigua afecta el rendiment dels peixos. La temperatura i la salinitat són alguns factors que afecten el creixement dels peixos. A més a més, altres factors com la terbolesa, el fotoperíode i l'oli dissolt entre uns altres poden afectar a les necessitats nutritives dels peixos. Ajustar la quantitat d'aliment necessari és crucial per garantir la sostenibilitat de l'aqüicultura i per augmentar el benefici econòmic de les instal·lacions. Al monitoritzar la qualitat de l'aigua, és possible estimar les necessitats d'alimentació. No obstant això, no és suficient. Monitoritzar el comportament dels peixos, especialment durant el període d'alimentació, pot ajudar a adaptar el subministrament alimentari. Aleshores, si es tan clar que el monitoratge pot ajudar a la producció aqüícola, per què no veiem aquest sistema de monitoratge en les instal·lacions aquàtiques? Per què a la majoria de les instal·lacions la alimentació es dóna manualment sense considerar el comportament alimentari dels peixos? El preu dels sensors per controlar les piscifactories és extremadament alt. Els sensors empleats són, en la majoria dels casos, els mateixos que es fan servir per a l'oceanografia. Els sistemes proposats en la literatura monitoritzen pocs paràmetres de qualitat de l'aigua i generalment no consideren el comportament dels peixos durant l'alimentació. Són necessaris sensors de baix cost adequats per a la monitorització de l'aqüicultura. Aquests sensors han de ser de baix cost, baix consum d'energia, senzills d'usar i amb la possibilitat d'incloure'ls en una xarxa per enviar-los. Per tant, podrem utilitzar aquesta xarxa de sensors i sensors per controlar l'activitat, enviar alarmes si és necessari i automatitzar els processos. A més, si incloem Internet, les dades es podran veure de forma remota. L'ús d'aquests sensors pot ajudar a la producció aqüícola. En aquesta tesi es mostra l'estudi dels requisits i el disseny de sensors per a monitoritzar la qualitat de l'aigua i el procés d'alimentació en piscifactories i altres entorns. Primer, estudiem en detall els requisits dels sensors en aqüicultura. A continuació, es mostra el estat de l'art dels sensors actuals per al monitoratge de la qualitat de l'aigua i per al monitoratge de l'aqüicultura. A continuació, presentem el disseny i desenvolupament dels nostres propis sensors de baix cost i la seva aplicació en instal·lacions d'aqüicultura amb sistema obert i sistema de recirculació. A més, mostrem la possibilitat de monitoritzar fins a 10 paràmetres, incloent-hi la qualitat de l'aigua (temperatura, salinitat, terbolesa i presència d'hidrocarburs / capa d'oli), ambient del tanc (nivell d'aigua, il·luminació, presència de treballadors) i alimentació del consum de peces (profunditat de natació de baix, estimació dels canvis en la velocitat de naixement de baixos i la caiguda d'aliment). El sistema proposat, capaç de controlar tots aquests paràmetres, té un baix cost i baix consum d'energia. El preu estimat és inferior a 100 € per tanc. A més, mostrem l'ús d'alguns dels sensors abans esmentats per a l'ajust automàtic del procés d'alimentació de peces. Finalment, mostrem com alguns dels sensors desenvolupats es fan servir en altres àrees aquàtiques naturals com manglars i estuaris. A més, es presenta un sistema intel·ligent per monitoritzar i rastrejar la contaminació en els cossos d'aigua.Parra Boronat, L. (2018). Study of Requirements and Design of Sensors for Monitoring Water Quality and Feeding Process in Fish Farms and Other Environments [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/106369TESI

    Ambient RF energy harvesting and efficient DC-load inductive power transfer

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    This thesis analyses in detail the technology required for wireless power transfer via radio frequency (RF) ambient energy harvesting and an inductive power transfer system (IPT). Radio frequency harvesting circuits have been demonstrated for more than fifty years, but only a few have been able to harvest energy from freely available ambient (i.e. non-dedicated) RF sources. To explore the potential for ambient RF energy harvesting, a city-wide RF spectral survey was undertaken in London. Using the results from this survey, various harvesters were designed to cover four frequency bands from the largest RF contributors within the ultra-high frequency (0.3 to 3 GHz) part of the frequency spectrum. Prototypes were designed, fabricated and tested for each band and proved that approximately half of the London Underground stations were found to be suitable locations for harvesting ambient RF energy using the prototypes. Inductive Power Transfer systems for transmitting tens to hundreds of watts have been reported for almost a decade. Most of the work has concentrated on the optimization of the link efficiency and have not taken into account the efficiency of the driver and rectifier. Class-E amplifiers and rectifiers have been identified as ideal drivers for IPT applications, but their power handling capability at tens of MHz has been a crucial limiting factor, since the load and inductor characteristics are set by the requirements of the resonant inductive system. The frequency limitation of the driver restricts the unloaded Q-factor of the coils and thus the link efficiency. The system presented in this work alleviates the use of heavy and expensive field-shaping techniques by presenting an efficient IPT system capable of transmitting energy with high dc-to-load efficiencies at 6 MHz across a distance of 30 cm.Open Acces

    A Flexible, Low-Power, Programmable Unsupervised Neural Network Based on Microcontrollers for Medical Applications

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    We present an implementation and laboratory tests of a winner takes all (WTA) artificial neural network (NN) on two microcontrollers (μC) with the ARM Cortex M3 and the AVR cores. The prospective application of this device is in wireless body sensor network (WBSN) in an on-line analysis of electrocardiograph (ECG) and electromyograph (EMG) biomedical signals. The proposed device will be used as a base station in the WBSN, acquiring and analysing the signals from the sensors placed on the human body. The proposed system is equiped with an analog-todigital converter (ADC), and allows for multi-channel acquisition of analog signals, preprocessing (filtering) and further analysis

    Investigation of a novel multiresonant beam energy harvester and a complex conjugate matching circuit

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    The aim of the work described in this thesis is firstly to improve the collection of vibration energy for piezoelectric cantilever harvesters, by a mechanical technique, so that the devices can harvest energy over a wider bandwidth. Secondly to investigate a new circuit topology for achieving complex conjugate load matching to the piezoelectric harvester. The thesis has been divided into two parts - the mechanical approach and the electrical approach. For the mechanical approach, a novel multiresonant beam, comprising piezoelectric fiber composites on a clamped-clamped beam and side mounted cantilevers, was proposed. The side cantilevers are tuned by tip masses to be resonant at different frequencies. A Rayleigh-Ritz model was developed to predict the vibration response of the proposed model multiresonant beam. This model showed that the bandwidth of the multiresonant beam was increased over that of a single cantilever harvester. A multiresonant beam for energy harvesting was experimentally tested and compared with a single cantilever energy harvester. The transmissibility and voltage responses were investigated, the beam showed a wide frequency response between 14.5Hz and 31Hz, whereas the single cantilever only showed one resonant frequency. Therefore the multiresonant beam system is feasible for wide band energy harvesting. For the electrical approach, the task was to investigate complex conjugate impedance matching for the piezoelectric energy harvesters, so that the output impedance from the piezoelectric harvester can be reduced, and maximum energy extracted from the device with a possibility of frequency tuning. A new amplified inductor circuit was proposed to enable the capacitive output impedance of the piezoelectric device to be cancelled. Experimental and software simulations are provided to verify the theoretical predictions. A prototype amplified inductor circuit was simulated and tested. The results showed that a variable effective inductance was achieved. However the circuit is lossy due to imperfections within the system, and needs further work to eliminate these imperfections.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

    Remote Touch Communication System for family Communication

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    Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH
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