Detección de averías en cambiadores de tomas en carga de transformadores basado en el patrón de vibraciones

Un cambiador de tomas en carga (OLTC, en inglés” On-Load Tap Changer”, o CTC en español) o regulador es la única parte con movimiento en un transformador. Su función es realizar la operación de cambio de una toma del arrollamiento de regulación a otra, permitiendo regular la tensión de salida del transformador a los niveles requeridos sin la interrupción de la corriente de carga. La valoración del estado electro-mecánico (buen estado o con avería) de un cambiador de tomas en carga es importante para asegurar la fiabilidad del transformador y por lo tanto del sistema de transmisión de energía eléctrica al cual se encuentre conectado. En la presente tesis doctoral se ha desarrollado sistema de detección de averías en cambiadores de tomas en carga basado en el análisis de la señal de vibraciones de un cambiador de tomas en carga. Para caracterizar la señal de vibración de cada una de las averías del cambiador se ha llevado a cabo un programa de ensayos en cambiadores de tomas en carga en buen estado y con averías simuladas. Con base en los registros de vibraciones obtenidos se implementó una metodología para automatizar el proceso de hallar los principales indicadores de diagnóstico (el número de impulsos de vibración, la amplitud de los impulsos de vibración y el tiempo entre los impulsos de vibración). Para obtener los principales indicadores de diagnóstico se aplicaron técnicas de pre-procesamiento (normalización, sincronización y transformada Hilbert), al igual que técnicas de procesamiento de datos tanto en el dominio de la frecuencia (Transformada rápida de Fourier), como en el dominio tiempo-frecuencia (Transformada corta de Fourier y Transformada discreta de Wavelet), así como aplicación de umbrales a la señal de vibración. Se analizaron metodologías de diagnóstico, con base en diferentes indicadores (existencia o no de un impulso, tiempo de duración del impulso, contenido de energía de impulso y banda de frecuencia asociada al impulso). El número de impulsos presentes en la señal de vibración y el tiempo entre impulsos son los indicadores de diagnóstico que permiten identificar un mayor número de averías internas. Se efectuó un estudio estadístico que permitió establecer las variaciones de tiempo entre impulsos en un cambiador de tomas en carga en buen estado y con siete tipos de averías al realizar transiciones idénticas. Se ha desarrollado una red neuronal artificial denominada Mapa Auto- Organizado (SOM) como herramienta de diagnóstico de la condición del cambiador de tomas en carga. En la tesis se propone, además, un nuevo modelo de elementos finitos en 3D para la simulación del patrón de vibración del selector del cambiador de tomas en carga sin averías y con una avería tipo, con el fin de complementar los registros de datos obtenidos en pruebas de campo. _____________________________________________On-Load Tap Changer (OLTC) or CTC (in Spanish) is the only moving part of a power transformer. Its function is to perform the changeover operation of a tapping from one to another winding of regulation, allowing regulating the output voltage of the transformer to the required levels without interrupting the load current. The assessment of the electro-mechanical state (good or failure) of a load tap changer is important to ensure transformer reliability, and therefore the electric power transmission which is connected. In this doctoral thesis has developed system for detecting faults on load tap changers based on vibration signal analysis of tap changers. To characterize the vibration signal from each of the tap changer faults has been carried out a test program with the tap changer in good condition and with simulated faults. Based on records obtained, a vibration analysis methodology have been implemented to automate the process finding the main diagnostic indicators (number of pulses of vibration, the amplitude of vibration impulses and the time between impulses of vibration) For the main indicators of diagnostic techniques were applied pre-processing (standardization, synchronization and Hilbert transform), as well as data processing techniques in the frequency domain (Fast Fourier Transform), as in the time domain -frequency (short Fourier transform and discrete wavelet transform), and application of thresholds to the vibration signal. Diagnostic methods were analyzed, based on various indicators (presence or absence of an impulse, impulse duration, impulse energy content and frequency band associated with the impulse). The number of impulses in the vibration signal and the time between impulses are diagnostic indicators that can identify a greater number of internal failures. We carried out a statistical study that allows variations of time between pulses in a load tap changer in good condition and consider seven types of failures to perform the same transitions. We have developed an artificial neural network called Self-Organized Map (SOM) as a tool for diagnosing the condition of the load tap changer. In this thesis, a novel finite element model for 3D simulation of the vibration signal of the selector load tap changer without fault and with a failure rate in order to supplement the data records obtained in field trials

Mixed-integer programming model for transmission network expansion planning with Battery Energy Storage Systems (BESS)

This article assesses the costs and benefits of incorporating battery energy storage systems (BESS) in transmission network expansion planning (TEP) over multiple time periods. We propose a mixed-integer programming model (MIP) for joint planning of the installation of battery energy storage systems (BESS) and construction of new transmission lines in multiple periods of time. The mathematical formulation of the presented model is based on the strategies of the agents of a transmission network to maximize their benefit, and on the operational restrictions of the power flows in transmission networks. This analysis is performed for the Garver 6 node test system takes into account the power losses in the lines and the restrictions for the energy stored in BESS. The power flows obtained with the MIP model are compared with AC power flows generated with specialized software for flows in power systems. This allows us to demonstrate the potential of models based on DC power flows to achieve approximate results applicable to the behavior and characteristics of real transmission networks. The results show that the BESS increase the net profit in the transmission networks and reduce their power losses

Optimal Location-Reallocation of Battery Energy Storage Systems in DC Microgrids

This paper deals with the problem of optimal location and reallocation of battery energy storage systems (BESS) in direct current (dc) microgrids with constant power loads. The optimization model that represents this problem is formulated with two objective functions. The first model corresponds to the minimization of the total daily cost of buying energy in the spot market by conventional generators and the second to the minimization of the costs of the daily energy losses in all branches of the network. Both the models are constrained by classical nonlinear power flow equations, distributed generation capabilities, and voltage regulation, among others. These formulations generate a nonlinear mixed-integer programming (MINLP) model that requires special methods to be solved. A dc microgrid composed of 21-nodes with existing BESS is used for validating the proposed mathematical formula. This system allows to identify the optimal location or reallocation points for these batteries by improving the daily operative costs regarding the base cases. All the simulations are conducted via the general algebraic modeling system, widely known as the General Algebraic Modeling System (GAMS)

Quasi-Dynamic Analysis of a Local Distribution System with Distributed Generation. Study Case: The IEEE 13 Node System

La generación distribuida es una de las estrategias más aceptadas para atender el aumento de la demanda de electricidad a nivel mundial. Desde el año 2014 las entidades gubernamentales en Colombia han emitido leyes y resoluciones para promover y regular la entrada en operación de diferentes tecnologías de generación, en el sistema eléctrico del país. Incorporar sistemas de generación distribuida en redes de distribución convencionales puede traer consigo problemas si previamente no se realizan los estudios que permitan determinar las consecuencias de la entrada en operación de estas nuevas tecnologías de generación. Este panorama representa un nuevo desafío para los operadores de las redes de distribución, ya que deben garantizar que los sistemas que administran puedan integrar estas nuevas fuentes de generación, sin afectar el correcto funcionamiento de la red eléctrica. En este artículo se modifica el sistema IEEE de 13 nodos incorporando las curvas de carga de los tres tipos de consumidores del sector eléctrico colombiano en las cargas del modelo y se integran sistemas de generación distribuida a partir de fuentes no convencionales de energía a dos nodos del sistema, con el objetivo de hacer un análisis cuasi-dinámico de las diferentes variables eléctricas que permitan determinar qué impacto tienen estas nuevas tecnologías en un sistema de distribución local. Como resultado, los perfiles de voltaje y potencia activa/reactiva no muestran cambios considerables en el comportamiento de la red eléctrica, pero sí se observa que, en los escenarios de simulación donde opera la generación distribuida, el sistema tiende a un aumento considerable en las corrientes y pérdidas presentes en las líneas. Así, se concluye que existen dos alternativas para no tener inconvenientes con la operación de los nuevos nodos con generación distribuida: operar de manera aislada esa parte del sistema o reforzar la red de distribución local a través de la implementación de nuevas líneas de distribución en el sistema.Distributed generation is one of the most accepted strategies to attend the increase in electrical demand around the world. Since 2014, Colombian government agencies have enacted laws and resolutions to promote and regulate the introduction of different generation technologies into the country’s electrical system. The incorporation of distributed generation systems into conventional distribution networks can cause problems if technical studies are not previously carried out to determine the consequences of the start of the operations of these new generation technologies. This scenario represents a new challenge for distribution networks operators because they must ensure that their systems can integrate these new generation sources without affecting the correct operation of the grid. In this article, the IEEE 13 nodes system is modified by incorporating the load curves of the three types of consumers in the Colombian electricity market into the model. Additionally, distributed generation systems from non-conventional sources of energy are integrated into two system nodes in order to perform a quasi-dynamic analysis of the different electrical variables, which can be used to determine the impact of these new technologies on a local distribution system. The voltage profiles and active and reactive power do not show considerable changes in the behavior of the electrical network; however, in the simulation scenarios where distributed generators are operating, the system exhibits a considerable increase in lines losses. There are two alternatives to manage these unusual levels in the operation of the nodes with distributed generation: (1) operating these new DG nodes in islanded mode or (2) strengthening the local distribution system through the implementation of new distribution lines in the network

Tendencias del Mercado Energético a Nivel Global

This article features the forecasts, trends and indicators of the global energetic market for 2015-2040, aimed to infer their impact on the Colombian energetic market and it is based on the forecasts and data of companies and agencies representative of the worldwide energetic sector, leading to identifying aspects such as the influence of GDP, environmental pollution and the use of both coal and renewable energy sources.En este artículo se presentan los pronósticos, tendencias e indicadores del mercado energético global para el período 2015-2040, con el fin de inferir su influencia en el mercado energético Colombiano y está soportado en  los pronósticos y datos de empresas y agencias representativas del sector energético a nivel mundial, de donde se identifican aspectos  como la influencia del PIB, la contaminación ambiental y el uso tanto del carbón como de las fuentes de energía renovables.

Enfoque técnico-económico para el dimensionamiento de transformadores de distribución

In colombia, distribution transformer ratings are selected upon the rated current flowing through circuits and branches feeding low-voltage networks. As a result, transformers turn out oversized. This paper shows a methodology for selecting distribution transformers based on technical and technoeconomical criteria as an alternative to current methodologies complying with NTC 2050. Whereas, technical criteria assure the operation of transformer within its maximum efficiency without loss of shelf life, the technoeconomical criteria balance a reasonable reduction of shelf life with a lower investment and service cost, even though the transformer is operating out of its maximun efficiency point. As a matter of fact, this later approach is of bigger interest for power distribution utilities. The proposed methodology, added to the overload capability of the transformers, allow to find the most suitable ratings in order to supply the expected demand, with lower investment and service costs and higher efficiency through the assets shelf life.En Colombia, la selección de la capacidad de los transformadores de distribución se realiza con base en la corriente con la que se calculan las acometidas y ramales alimentadores de las redes de baja tensión, lo cual trae como consecuencia un sobredimensionamiento. Este artículo presenta una metodología para la selección de los transformadores de distribución basada en criterios técnicos y técnico-económicos como una alternativa a las metodologías tradicionales derivadas de los lineamientos de la NTC 2050. Por el criterio técnico se asegura que el transformador operará en la zona de máxima eficiencia sin pérdida de vida útil por encima de la normal esperada. El criterio técnico-económico asegura una pérdida de vida dentro de lo normal esperado y un costo de inversión y operación del equipo menor, aunque el transformador opere por fuera de la zona de máxima eficiencia. Esta última alternativa es más atractiva para las empresas distribuidoras. La evaluación que realiza la metodología, sumada a la capacidad inherente de sobrecarga temporal de los transformadores, posibilita encontrar la capacidad del transformador con la cual se pueda atender de manera adecuada la demanda esperada con un menor costo de inversión y operación, además de mayor eficiencia a lo largo de la vida útil esperada del activo

Generador axial para un generador eólico de baja potencia, selección, diseño y simulación en COMSOL multiphysic

Axial flux generators are machines used in wind generation systems, and given the growing interest in small-scale renewable energy, it is required to look for new configurations to address the increase in energy needs globally. This document discusses the selection, design and simulation of three topologies of a dual-rotor permanent axial flux magnet generator for low-speed, low-power (10 watt) applications, which are modeled by applying the finite element method in COMSOL 2D software, as a contribution to the Low Power Wind Generator Topologies research project. Thanks to this method it is possible to optimize the design and observe the density of magnetic flux in the teeth of the stator, air gap and magnetic poles. The results obtained are compared taking as reference the output power generated under the loads of 10, 40,100, 150 and 260 ohms, in addition indicate that topologies 1 and 3 (purely coreless and slotted stator) exhibit better behavior both in no-load and under load, when looking to reduce the weight of the machine implemented a HALBACH type matrix on the magnetic poles of the rotors.Los generadores de flujo axial son máquinas utilizadas en sistemas de generación eólica, y dado el creciente interés por las energías renovables a pequeña escala se requiere buscar nuevas configuraciones que permitan enfrentar el aumento de las necesidades energéticas a nivel mundial.  En este documento se analiza la selección, diseño y simulación de tres topologías de un generador de imanes permanentes de flujo axial de doble rotor para aplicaciones de baja velocidad y baja potencia (10 watios), las cuales se modelan aplicando el método de elementos finitos en el software COMSOL 2D, como aporte al proyecto de investigación Topologías de Generador Eólico de Baja Potencia, gracias a este método es posible optimizar el diseño y observar la densidad de flujo magnético en los dientes del estator, entrehierro y polos magnéticos. Los resultados obtenidos se comparan tomando como referencia la potencia de salida generada bajo las cargas de 10, 40,100, 150 y 260 ohmios, además indican que las topologías 1 y 3 (puramente sin núcleo y estado ranurado) presentan un mejor comportamiento tanto en vacío como bajo carga, al buscar reducir el peso de la maquina implementado una matriz tipo HALBACH en los polos magnéticos de los rotores

A two-stage approach to locate and size PV sources in distribution networks for annual grid operative costs minimization

This paper contributes with a new two-stage optimization methodology to solve the problem of the optimal placement and sizing of solar photovoltaic (PV) generation units in mediumvoltage distribution networks. The optimization problem is formulated with a mixed-integer nonlinear programming (MINLP) model, where it combines binary variables regarding the nodes where the PV generators will be located and continuous variables associated with the power flow solution. To solve the MINLP model a decoupled methodology is used where the binary problem is firstly solved with mixed-integer quadratic approximation; and once the nodes where the PV sources will be located are known, the dimensioning problem of the PV generators is secondly solved through an interior point method applied to the classical multi-period power flow formulation. Numerical results in the IEEE 33-bus and IEEE 85-bus systems demonstrate that the proposed approach improves the current literature results reached with combinatorial methods such as the Chu and Beasley genetic algorithm, the vortex search algorithm, the Newton-metaheuristic algorithm as well as the exact solution of the MINLP model with the GAMS software and the BONMIN solver. All the numerical simulations are implemented in the MATLAB programming environment and the convex equivalent models are solved with the CVX tool

Revisión de la literatura de Implementación de BESS en DER

Distributed Energy Resources (DER) have been a fundamental part of the inclusion of Battery Energy Storage Systems (BESS) in the generation and distribution system. This work shows an exhaustive review of the different approaches that the authors have developed when implementing BESS in DER, its scope and applications in different environments, observing that the most covered topics are Smart Grid (SG), Distributed Generation (DG), Energy Storage (ES) and where little information is found on the topics of Electric Vehicles (EV), Advanced Measurement (AM) and Demand Response (DR), this is to give an overview of the progress the authors have had and it allows to know in which field of application less information is found, facilitating the search for new researchers.Los recursos energéticos distribuidos (DER) han sido parte fundamental para la inclusión de los Sistemas de almacenamiento de baterías (BESS) al sistema de generación y distribución. Este trabajo muestra una revisión exhaustiva de los diferentes enfoques que han desarrollado los autores al implementar BESS en DER sus alcances y aplicaciones en diferentes entornos, observando que los temas más abarcados son Smart Grid (SG), Generación Distribuida (GD) , Almacenamiento de Energía (AE) y en donde se encuentra poca información son los temas de Vehículos eléctricos (VE), Medición Avanzada (MA) y Respuesta a la Demanda (RD), esto tiene como fin dar una visión mas general sobre los avances que han tenido los autores y permite conocer en qué campo de aplicación se encuentra menos información facilitando la búsqueda de los nuevos investigadores