Study of responsibilities assignment methods in power quality

Abstract. The present document is a research report on the study of responsibilities assignment in power quality, theme proposed to be carried out as thesis for the degree of Doctor of Philosophy in Electrical Engineering at the National University of Colombia - Bogotá, the doctoral studies have been advised by the Professor Horacio Torres-Sánchez, who works at the National University of Colombia. A doctoral research project was proposed to guide the development of the doctorate. Besides a justification and a theoretical background about the analysis of responsibilities in power quality, the following preliminary objectives were proposed: _ To develop a methodology aimed to establish the responsibilities of different agents involved in a distribution network regarding power quality disturbances. _ Reviewing and studying of analysis tools useful to determine responsibilities of agents connected to a distribution system. Frequency domain, time domain and non-sinusoidal conditions aimed power theories are some of the analytic tools to be considered. _ Study, review and application of deterministic and random modeling and simulation techniques, in order to represent electric systems and power quality disturbances. Deterministic tools have been widely studied and additional efforts will be required just for specific cases. Random tools require the study of random variables, stochastic processes and Monte Carlo simulation techniques. _ Application of the methodology to real cases. This document reports the doctoral research, which was carried out in the National University of Colombia and the Ruhr University of Bochum - Germany. Along this document the main results achieved in the doctoral studies will be listed as well as the accomplishments of the preliminary proposed objectives. In order to introduce the reader to the theme investigated along the doctoral studies, a presentation of the Analysis of responsibilities is made in Chapter 1. In this chapter the conceptual realization of the analysis of responsibilities is described, such realization has been called the Responsibilities Assignment Problem RAP, once it is presented in terms of a problem to be solved, some details are necessary to orientate the finding of a suitable solution. The mentioned problem leads to new matters of discussion like: _ How should the responsibilities be assessed? _ How ought to be assigned the responsibilities? _ For the currently available methods to assess and assign responsibilities, in what manner must be carried out an evaluation to determine their usefulness and suitability? The precedent issues require a direction to facilitate and orientate the evaluation of the reviewed methods and to develop new ones, experimental cases and reference conditions will be proposed as basement for this purpose. Power Quality disturbances can be understood as any deviation from the conditions a customer or a utility needs to satisfy determined energy necessities, such disturbances have been listed and analyzed in technical standards. The analysis of deviations in the quality of the electric power demands the analysis of the electric power itself, an analysis leading to identify and quantify the disturbances in terms of power quantities and electric signals like voltages and currents. In the Chapter 2. A Review of power definitions will be done to provide a frame of reference to decompose power in parts related to the disturbances under consideration in the present thesis. As it was mentioned, reference conditions and experimental setups must be established to allow a comparative and critical revision of any RAP assessing method. Measurements and simulations have been carried out, a description of the setups, the measurements themselves and their usefulness is going to be presented. Simulations have been carried out as well, they shall be described in a similar way in Chapter 3. Once the conceptual foundation has been set already and the technical aspects and experimental cases have been presented too, a review of currently available methods is possible. Several methods shall be investigated, the Critical Impedance Method, the Multi- Point Method and the Harmonic Pollution Method among others, a critical assessment from the technical and conceptual perspective will be carried out, the assessment will yield desirable and undesirable characteristics of each method, which may be used to improve the methods or to develop new ones. This review can be found in Chapter 4. The doctoral research led to the development of a new method to assess responsibilities, the so called Method of Disturbances Interaction MDI, this method will be presented in Chapter 4 as well. Preliminary research results conducted to an improvement proposal for the Multi-Point Method, such improvement will be shown as well. Power quality disturbances evolve and change in time, their behavior cannot always be forecasted easily, the statistical analysis of disturbances is needed. A Statistical analysis procedure of the indicators to assess responsibilities in power quality is presented. The proposed method and the statistical analysis o_er the possibility of an integration of responsibilities assessment in the currently available standards, this part will be found in Chapter 5. Finally, the conclusions extracted from the thesis are presented along with a summary of the reviewed bibliography.El presente documento es un reporte de investigación sobre el estudio de responsabilidades en calidad de potencia eléctrica. Este tema se propuso para ser desarrollado como tesis para adquirir el título de Doctor en Filosofía en Ingeniería - Ingeniería Eléctrica en la Universidad Nacional de Colombia - Bogotá. Los estudios doctorales fueron asesorados por el Profesor Horacio Torres-Sánchez, quien trabaja como profesor en la Universidad Nacional de Colombia. Se propuso un proyecto de investigación doctoral para dirigir el desarrollo de los estudios doctorales. Además de la debida justificación y presentación de los antecedentes teóricos necesarios, los siguientes objetivos preliminares fueron propuestos: _ Desarrollar una metodología orientada a determinar responsabilidades de diferentes agentes presentes en una red de distribución e involucrados en una condición de perturbación estacionaria de calidad de potencia. _ Revisar y estudiar las herramientas de análisis disponibles para determinar responsabilidades de agentes conectados a un sistema de distribución. Teorías de potencia eléctrica definidas en dominio del tiempo, la frecuencia y para condiciones no sinusoidales son algunas de las herramientas analíticas a ser consideradas. _ Estudiar y revisar técnicas de simulación y modelado, tanto determinísticas como aleatorias, para representar sistemas eléctricos y perturbaciones de calidad de potencia. Los métodos determinísticos han sido ampliamente estudiados, de manera que se requerirán esfuerzos adicionales solamente para casos particulares. Las herramientas de simulación estocástica requieren el estudio de variables aleatorias, procesos estocásticos y simulación de Monte Carlo. _ Aplicación de las metodológicas a casos reales. El presente documento presenta la investigación doctoral que fue desarrollada en la Universidad Nacional de Colombia y la Universidad del Ruhr de Bochum - Alemania. A lo largo del documento se enlistan los principales resultados logrados en el doctorado, así como también el cumplimiento de los objetivos propuestos. Análisis de Responsabilidades en el Capítulo 1. En este capítulo se describe la conceptualización del análisis de responsabilides, la cual ha sido llamada Problema de Asignación de Responsabilidades RAP, posteriormente se enlistan algunos requerimientos necesarios para encontrar una solución apropiada. El problema mencionado conduce a nuevos aspectos de discusión como: _ Cómo se deberían evaluar las responsabilidades? _ Cómo deben asignarse las responsabilidades? _ Para poder determinar la validez de los métodos existentes actualmente para evaluar responsabilidades, de qué manera deben evaluarse? Los aspectos anteriores requieren un direccionamiento para facilitar y orientar la evaluación de los métodos revisados y los propuestos, montajes experimentales y condiciones de referencia serían propuestos con este propósito. Las perturbaciones de calidad de potencia pueden entenderse como cualquier desviación de las condiciones que un cliente requiere para satisfacer sus necesidades específicas. El análisis de las desviaciones en la calidad de la potencia eléctrica exige el análisis de la potencia en sí, que serviría para identificar y cuantificar las perturbaciones en términos de cantidades de potencia y señales eléctricas. En el Capítulo 2 se presenta una revisión de las definiciones de potencia, las cuales otorgan un marco de referencia para descomponer la potencia en porciones relacionadas con las perturbaciones estudiadas en esta tesis. Como se mencionó anteriormente, deben establecerse condiciones de referencia y montajes experimentales para permitir una revisión comparativa y crítica de cualquier método disponible para resolver el RAP. En la investigación conducida se desarrollaron mediciones que se describirían en el Capítulo 3. Una vez que los fundamentos conceptuales hayan sido establecidos, así como los experimentos hayan sido presentados, los métodos de evaluación de responsabilidades pueden ser evaluados. Varios métodos serían investigados: el método de la Impedancia Crítica, el método de Mediciones Multi-Punto y el método de Polución Armónica. Una evaluación de carácter crítico, desde las perspectivas técnica y conceptual, sería realizada para cada método. Dicha evaluación proveería características deseables e indeseables de cada método, las cuales servirían para su mejoramiento o para la elaboración de un método novedoso. La evaluación de los métodos se presentaría en el Capítulo 4. La investigación doctoral condujo al desarrollo de un nuevo método para evaluar responsabilidades, el cual fue denominado Método de Interacción de Perturbaciones MDI, en el Capítulo 4 sería descrito. Algunos resultados preliminares relacionados con el mejoramiento del método Multi-Punto se presentarían también. Las perturbaciones de calidad de potencia evolucionan y cambian con el tiempo, de tal manera que su comportamiento no puede ser predicho con facilidad. De acuerdo con lo anterior, es necesario el análisis estadístico de las responsabilidades. En el capítulo 5 se presenta el análisis estadístico de los indicadores propuestos para evaluar responsabilidades. Finalmente se presentan las conclusiones principales de la investigación desarrollada y un resumen general de la bibliografía consultada.Doctorad

Smart Grids - Retos para su implementación

Se presentan las motivaciones que justifican la implementación de redes inteligenten en el país, retos en su desarrollo y algunas ideas de investigación

Effects on lifetime of low voltage conductors due to stationary power quality disturbances

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Spinning reserve analysis in a microgrid

Este artículo propone una metodología para modelar y analizar e l esquema de seguridad requerido por una microred que considera la participación de fuentes renovab les de energía. Este esquema de seguridad está representado por una reserva rodante hacia arri ba y hacia abajo, la cual permite llevar la frecuencia del sistema a un es tado estable después de la ocurrencia de eventos asociados no s ólo a errores en el pronóstico de la demanda (ta l como lo hacen los esquemas tradicionales), sino también a errores en el pronóstico de la d isponibilidad de potencia de las fuentes intermitentes de energía. La metodol ogía propuesta se implementó en una microred real que considera la interconexión de un generador fot ovoltaico. A partir de ello, s e concluyó que el esquema de seguridad diseñado para la microre d garantizó eficientemente la relación entre generación y demanda, para cad a hora de análisis

Spinning reserve analysis in a microgrid

This paper proposes a methodology to model and analyze the security scheme required by a microgrid that considers the participation of renewable energy sources. This security scheme is represented by an up and down spinning reserve, which allows to drive the system frequency to a steady state after the occurrence of events associated not only to forecast errors in the electricity demand (as traditional schemes do), but also to forecast errors in the power availability of the intermittent energy sources. The proposed methodology was implemented on a real microgrid that considers the interconnection of a photovoltaic generator. From this, it was concluded that the security scheme designed for the microgrid allowed to ensure efficiently the relation between generation and demand, at each study hour

Cuantificación del ahorro de energía eléctrica en clientes residenciales mediante acciones de gestión de demanda

Colombia faced from 2015 to 2016 one of most severe El Niño whether phenomenal in its history, being close to energy rationing. Demand management can help to reduce energy consumption under any scenario of energy availability, not only under emergencies. This article presents the quantification of potential savings in residential customers in Bogotá D.C., determined from the modeling of different demand management strategies. The results show energy reduction between 6 and 26% resorting to device substitution, 7 and 19% through energy consumption patterns adjustments, and between 17% and 45% as possible total energy savings. The results reveal as well that customers with low energy consumption can reach upto 45% savings, in contrast to customers with consumption energy greater than 150 kWh/month cannot reach energy saving above 20%.Colombia enfrentó entre 2015 y 2016 uno de los fenómenos de El Niño más severos de su historia quedando ad-portas de un racionamiento de energía. La gestión de demanda puede ayudar, entre otros aspectos, a reducir el consumo de energía en cualquier escenario de disponibilidad de recursos energéticos, no sólo en emergencia. El artículo presenta la cuantificación de los posibles ahorros en clientes residenciales en Bogotá D.C., determinados a partir del modelado de diferentes estrategias de gestión de demanda. Los resultados muestran que pueden lograrse reducciones en el consumo entre 6 y 26% mediante sustitución de dispositivos, 7 y 19% mediante cambio de hábitos de consumo, y entre 17% y 45% como ahorro total posible. Los resultados también revelan que los clientes con menores consumos de energía pueden alcanzar ahorros de hasta el 45%, mientras que los clientes con consumos mayores de 150 kWh/mes no logran ahorros superiores al 20%

Effects on lifetime of low voltage conductors due to stationary power quality disturbances

Este artículo present a una metodología para la estimación de lo s efectos en el calentamiento y la esperanza de vida en conduct ores de baja tensión (BT) debido a la presenc ia de perturbaciones estacionar ias de calidad de potencia. El sobrecalentamiento del conductor y el prematuro envejecimiento en el ais lamiento del cable puede ser causado por los incrementos temporales en los valores RMS de la s tensiones y las corrientes ocasionados por perturbaciones estacionarias. Entre las perturbaciones están las distorsiones de forma de ond a, desbalances y los desplazamientos de fase. Pa ra incrementos de corta duraci ón, no se ven reducciones significativas en el tiempo de vida d el aislamiento, pero para largos periodos de tiem po se puede producir efectos a cumulativos y degenerativos. Se emplean modelos válidos actualm ente para envejecimiento del aislamien to; los niveles esperados de l as perturbaciones de calidad de potencia son extraídos de bases de datos de calidad de potencia. U na discusión sobre los efectos en el tiem po de vida del aislamiento es presentada