Intelligent fault detection system for microgrids

The dynamic features of microgrid operation, such as on-grid/off-grid operation mode, the intermittency of distributed generators, and its dynamic topology due to its ability to reconfigure itself, cause misfiring of conventional protection schemes. To solve this issue, adaptive protection schemes that use robust communication systems have been proposed for the protection of microgrids. However, the cost of this solution is significantly high. This paper presented an intelligent fault detection (FD) system for microgrids on the basis of local measurements and machine learning (ML) techniques. This proposed FD system provided a smart level to intelligent electronic devices (IED) installed on the microgrid through the integration of ML models. This allowed each IED to autonomously determine if a fault occurred on the microgrid, eliminating the requirement of robust communication infrastructure between IEDs for microgrid protection. Additionally, the proposed system presented a methodology composed of four stages, which allowed its implementation in any microgrid. In addition, each stage provided important recommendations for the proper use of ML techniques on the protection problem. The proposed FD system was validated on the modified IEEE 13-nodes test feeder. This took into consideration typical features of microgrids such as the load imbalance, reconfiguration, and off-grid/on-grid operation modes. The results demonstrated the flexibility and simplicity of the FD system in determining the best accuracy performance among several ML models. The ease of design’s implementation, formulation of parameters, and promising test results indicated the potential for real-life applications

Propagación de ondas electromagnéticas de Rayo en BF Y MBF: efectos del suelo. Aplicaciones a sistemas de localización de rayos en regiones montañosas

The problem of radiowave propagation over ground has been subject of interest for more than one century. As an electromagnetic problem in nature, it is completely described by Maxwell's equations. However, given specific boundary conditions and source of the fields, the solution of these equations can be of extreme complexity and numerical solutions have to be pursued. The applications are numerous; the problem of this work being the modelling of lightning electromagnetic waves propagation over irregular ground for its application to lightning locating systems. A particular question arises: what is the effect that the ground irregularities have on the propagation of these kind of waves? Also, what is the consequence of these propagation effects on lightning locating systems that operate over mountainous regions of altitudes that are comparable to the source wavelength? These are the questions that were stated to be answered with this work. The methodological approach for answering the questions stated consisted in the development of a numerical simulation model, specifically the use of the Finite-Difference Time-Domain Method (FDTD). Due to the requirements in computer memory of this method, it was necessary to obtain a two-dimensional approximation to Maxwell's equations, considering the azimuthal symmetry of the problem. After the model was validated and tested with canonical models, it was used to observe the propagation of lightning electromagnetic waves under different scenarios. Furthermore, six different relief profiles over the Colombian territory were modelled and used to determine their effects on the propagation of lightning-generated electromagnetic waves. Also, the onset times of the waves to different observation points were measured and compared for propagation over flat ground and over irregular ground. The results showed that the overall effect of ground irregularities on the propagation of waves can be of two types: increase or attenuation of the signal peak. However, the time derivative or rise time of the waves was not modified in an important manner. That is, the ground irregularities alone, without the effect of ground conductivity, can only modify the signal amplitude. The attenuation of the signal peak is obtained as a result of propagation over electrically large obstacles due to wave reflection. The increase of the signal peak is explained by the phenomenon of constructive interference of waves when the observation point is located at an altitude. Some numbers can be given; for example, for a source wavelength of about 5000 m, and an obstacle of about 0.8 times this wavelength, the vertical electric field peak was reduced around 22% of the value obtained for propagation over flat ground. For a source wavelength of about 790 m, the vertical electric field peak suffered a reduction of about 43% of its value when it propagated over flat ground. The mentioned results were obtained for propagation over an obstacle of the same height, but for different source wavelengths, showing that the discussion has to be given in terms of wavelengths. The important point is that the change in the signal peak when it propagates over mountains of important altitude—like the ones that exist in Colombia due to the Cordillera of the Andes—has to be considered if a precise modelling of propagation is required. The results also showed that the signal onset times were not modified beyond 4% with respect to the onset times for propagation over flat ground. In fact, five out of six of the real relief profiles analysed showed that the error in calculation of the onset time was under 1% when the terrain irregularities were included in the propagation model. When the research started, it was believed that the major effect of ground irregularities on the propagation of lightning-generated electromagnetic waves was on the location accuracy of lightning locating systems. However, the results suggested a change of direction when thinking about these effects, since signal onset times strongly depend on the signal risetime, but this parameter is not modified at a great extent by the terrain irregularities alone. In this regard, the propagation effects of ground conductivity are actually more important because it causes selective attenuation of certain frequency components, as it has been shown by several authors in the scientific literature. Then, this thesis showed that the propagation effects of terrain irregularities have a major effet in other aspects of the application to lightning locating systems, as for example the detection efficiency and mainly, the estimation of lightning parameters from lightning locating systems data.El problema de propagación de ondas de radio sobre el suelo ha sido tema de interés por más de un siglo. Dado que el problema es de naturaleza electromagnética, su descripción está dada completamente por las ecuaciones de Maxwell. Sin embargo, dadas una condiciones de frontera específicas y según el tiempo de fuente de los campos, la solución de dichas ecuaciones puede ser extremadamente compleja y casi siempre se tienen que buscar soluciones numéricas. Existe una gran cantidad de aplicaciones; el problema abordado en este trabajo trata sobre el modelado de la propagación sobre suelo irregular de las ondas electromagnéticas generadas por rayos, para su aplicación a sistemas de localización de rayos. Se puede pensar inmediatamente en la siguiente pregunta: ¿cuál es el efecto que tienen las irregularidades del suelo sobre la propagación de este tipo de ondas? Además, ¿cuál es la consecuencia de estos efectos de propagación sobre los sistemas de localización de rayos que funcionan sobre regiones montañosas de altitudes que son comparables a la longitud de onda de la fuente de los campos? Estas son las preguntas de investigación que fueron planteadas para ser respondidas mediante el presente trabajo. El enfoque metodológico para responder a las preguntas planteadas consistió en el desarrollo de un modelo de simulación numérica, específicamente el método de Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo (DFDT). Debido a los requerimientos de memoria computacional del método, fue necesario obtener una aproximación en dos dimensiones a las ecuaciones de Maxwell, considerando la simetría azimutal del problema. Después de que el modelo numérico fue validado y probado mediante resultados de modelos canónicos, se utilizó para predecir y observar la propagación de ondas electromagnéticas generadas por rayos bajo diferentes escenarios. Además, se modelaron seis perfiles de relieve reales sobre el territorio Colombiano y se usaron para determinar su efecto sobre la propagación de ondas electromagnéticas de rayo. También se midieron los tiempos de arribo de las ondas a diferentes puntos de observación y se compararon los casos de tiempos obtenidos para propagación sobre terreno plano con los obtenidos para propagación sobre terreno irregular. Los resultados mostraron que el efecto global de las irregularidades del suelo sobre la propagación de las ondas puede ser de dos tipos: incremento o atenuación del valor pico de la señal. Sin embargo, las derivadas temporales o tiempo de frente de las ondas no se vieron afectados de manera significativa. Esto es, las irregularidades del suelo únicamente, sin el efecto de la conductividad del suelo, pueden modificar únicamente la amplitud de las ondas electromagnéticas. La atenuación del valor pico de la señal se obtiene como resultado de la propagación sobre obstáculos eléctricamente grandes y es debida a la reflexión de la onda. El incremento del valor pico de la señal de campo electromagnético se explica a través del fenómeno de interferencia constructiva de ondas cuando el punto de observación se encuentra a cierta altitud por encima de la fuente. Se pueden dar algunos números; por ejemplo, para una fuente con una longitud de onda alrededor de 5000 m, y un obstáculo con altura de alrededor de 0.8 veces la longitud de onda, el valor pico del campo eléctrico vertical tuvo reducción cercana al 22% del valor obtenido para propagación sobre suelo plano. Para una fuente con longitud de onda alrededor de 790 m, el valor pico del campo eléctrico vertical sufrió una reducción cercana al 43% de su valor cuando se propagaba sobre suelo plano. Los resultados descritos fueron obtenidos para el caso de propagación sobre un obstáculo de igual altura, pero diferentes longitudes de onda de la fuente, lo cual demuestra que la discusión se debe dar en términos de longitudes de onda y su relación con el tamaño de los obstáculos. El punto importante es que el cambio en el valor pico de la señal cuando se propaga sobre zonas montañosas de altura importante —como las que existen en Colombia debido a la Cordillera de los Andes— se deben considerar con el fin de obtener un modelado preciso de la propagación. Los resultados también mostraron que los tiempos de arribo de las señales no se modificaron más allá del 4% con respecto a los tiempos de arribo para propagación sobre suelo plano. De hecho, cinco de los seis perfiles reales del relieve estudiados mostraron que el error en el cálculo de los tiempos de arribo estaba por debajo del 1% cuando se incluyeron las irregularidades del terreno en el modelo de propagación. Al inicio de esta investigación, la hipótesis indicaba que el efecto más significativo de las irregularidades del terreno sobre la propagación de ondas electromagnéticas generadas por rayo era sobre la precisión de localización de los sistemas de localización de rayos. Sin embargo, los resultados obtenidos sugieren un cambio de dirección al pensar en estos efectos, puesto que los tiempos de arribo de la señal de campo dependen fuertemente del tiempo de frente de la señal, pero este parámetro no puede ser modificado significativamente por las irregularidades del terreno únicamente. Con respecto a esto, los efectos de la conductividad del terreno son de hecho más importantes porque estos causan atenuación selectiva de ciertas componentes de frecuencia, como ha sido demostrado por varios autores en la literatura científica. Por lo tanto, esta tesis demostró que los efectos de propagación debidos a las irregularidades del terreno tienen su efecto más importante en otros aspectos de la aplicación a sistemas de localización de rayos, como por ejemplo la eficiencia de la detección y principalmente, la estimación de parámetros de rayo a partir de la información contenida en sistemas de localización de rayos.Disertación presentada al Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Computación de la Universidad Nacional de Colombia como requisito parcial para obtener al título de: Doctor en Ingeniería - Ingeniería Automática.Doctorad

Analysis of a return stroke model, with corona charge neutralization, using irregular geometries of the channel

En esta tesis se presenta el análisis de un modelo para la primera descarga de retorno, el cual está basado en la neutralización de la carga de corona alrededor del canal del líder, usando para dicho análisis geometrías irregulares del canal de la descarga. Los resultados se comparan con los obtenidos para un canal de la descarga con geometría recta y vertical al suelo. En primer lugar se presenta una revisión del estado del arte en el modelado de la primera descarga de retorno. Posteriormente se desarrolla un modelo de la densidad lineal de carga en canales con tortuosidad y ramificaciones. Con este modelo para la densidad de carga, y utilizando geometrías aleatorias del canal con tortuosidad y ramificaciones, se obtiene la distribución de corrientes para la primera descarga de retorno en dichos canales y se comparan los resultados con los obtenidos para canales con geometría recta y vertical. Finalmente se presentan las conclusiones y perspectivas / Abstract: In this thesis it is presented an analysis of a model for the first return stroke, which is based in the neutralization of the corona charge stored around the leader channel, using irregular geometries of the discharge channel for such analysis. The results are then contrasted with that obtained for channels with a straight and vertical geometry. First, it is presented a revision of the state of the art in the modeling for the first return stroke. Subsequently a model for the linear charge density in channels with tortuosity and branching is developed. With this model for the charge density, and using random geometries of the discharge channel with tortuosity and branching, it is obtained the distribution of currents for the first return stroke in such channels, and the results are then contrasted with those obtained for channels with straight and vertical geometry. Finally, the conclusions and perspectives are presented.Maestrí

A novel fuzzy parameter for ground flash density

Lightning parameters such as ground flash density GFD have been determined using mainly deterministic methods and in the last 20 years the main source of information has been lightning location systems (LLS) data. GFD has some problems like the dependence on the area of the grid studied, strong variations between data in closer points of the grid and its low descriptive capability. Additionally LLS introduce other problems due to the location accuracy that must be in accordance with the area of the grid to be studied. This paper presents a novel fuzzy parameter to calculate ground flash density using modern computational techniques. The new parameter called Fuzzy Ground Flash Density (FGFD) can deal with the problems related to the GFD parameter itself and the location accuracy of the LLS. FGFD gives a better representation of the phenomena and it is more adequate for practical problems especially in engineering subjects such as lightning location systems design and lightning risk assessment. Some examples were created to demonstrate the validity of the new parameter and a real case using the Colombian LLS data is shown

Adaptive Impedance-Based Fault Location Algorithm for Active Distribution Networks

Modern fault location methods are robust; however, they depend strongly on the availability of the measurements given by Distributed Energy Resources (DER). If the communication or synchronism of this information is lost, the fault location is not possible. This paper proposes an adaptive impedance-based fault location algorithm for active distribution systems. The proposal combines information provided by Intelligent Electronic Devices (IEDs) located at the substation, the knowledge of the network topology and parameters, as well as the distributed power sources, to estimate the fault location. Its adaptive feature is given by the use of a Distributed Energy Resources (DER) electrical model. This model is used to estimate the DER current contribution to the fault, in case the information provided by a local IED is not available. The method takes two types of DER technologies into account: Inverter non-interfaced DER (INIDER) and Inverter-interfaced DER (IIDER). The proposed method is validated on a modified IEEE 34-node test feeder, which was simulated with ATP/EMTP. The results obtained using the IEDs information, presented a maximum error of 0.8%. When this information is not available, the method’s performance decreases slightly, obtaining a maximum error of 1.1%. The proposed method showed better performance when compared with two state of the art methods, indicating potential use for real-life applications