Técnicas avanzadas para el tratamiento y procesamiento de señales de campos electromagnéticos generados por rayos

Los rayos son transitorios de alta corriente cuya energía es radiada desde las bajas frecuencias hasta algunos cientos de MHz. Estas descargas eléctricas son consideradas como una de las fuentes de perturbación electromagnética más severas, pueden afectar equipos y sistemas eléctricos, electrónicos y de comunicaciones y, en caso, extremo pueden causar la muerte de personas y animales. Durante varias décadas, el estudio de los rayos se ha basado en la medición remota de los campos eléctricos y magnéticos generados durante el proceso de la descarga (LEMF). Estas mediciones se han convertido en una de las herramientas más útiles en la investigación de los rayos y su estudio ha permitido entender buena parte de los procesos que se desarrollan durante este fenómeno atmosférico. No obstante, dichos registros de campo eléctrico y magnético siempre están distorsionados por ruido y otras componentes indeseadas. Esta situación afecta la interpretación de las características de la forma de onda y dificultan su caracterización en el dominio del tiempo y en el dominio de la frecuencia. Esta tesis presenta una discusión sobre un conjunto de nuevas técnicas que facilitan la reducción de ruido y permiten un adecuado análisis tiempo-frecuencia sobre señales de campo eléctrico y campo magnético radiadas por los return strokes de flashes nube-tierra (CG). Las técnicas de reducción de ruido se basan en el desarrollo de filtros adaptativos en el dominio de la transformación de Fourier fraccionaria discreta (DFRFT) y en la combinación de la aproximación local polinomial (LPA) con el algoritmo de intersección de intervalos de confianza (ICI). Por su parte, se propone desarrollar el análisis-tiempo frecuencia usando la transformación polinomial de Fourier (LPFT), la cual es una representación tiempo-frecuencia que utiliza en su kernel una función polinomial para describir las características de frecuencia instantánea (IF) de señales de fase variante en el tiempo. Para facilitar la comprensión de las técnicas propuestas se presenta una revisión teórica ilustrando sus propiedades, ventajas y desventajas. Así mismo, se proponen un conjunto de algoritmos necesarios para su implementación computacional, evaluando su complejidad y tiempo de cómputo requerido. Los resultados muestran que las técnicas de reducción de ruido basadas en la DFRFT y LPA-ICI tienen mejor desempeño y proporcionan mejores resultados que aquellos obtenidos con métodos convencionales como la FT, los filtros lineales FIR y varios métodos robustos basados en la transformación de wavelets discreta (DWT), los cuales han sido presentados y validados en otras investigaciones. Por su parte, el estudio reveló que la aplicación de la LPFT sobre las señales de LEMF mejora la concentración de energía, aumenta la resolución de los periodogramas y reduce los errores en la estimación de la IF. Además, el uso de esta técnica de procesamiento permite identificar componentes adicionales de media frecuencia (a partir de 50 kHz y superior) que no son observadas usando técnicas convencionales como la transformación de Fourier de corto tiempo (STFT) y la transformación de wavelets (usada en trabajos previos). Estas bandas de frecuencia, aunque poseen baja energía, son intensificadas al aumentar el orden polinomial. La prueba y validación las técnicas propuestas fueron realizadas usando registros de campo eléctrico y magnético capturados por diferentes sistemas de medición instalados en Colombia (2004, 2013 y 2016) y Sri Lanka (2016). Estas mediciones permitieron analizar el comportamiento de 509 flashes CG y caracterizar los parámetros temporales y espectrales de 1385 return strokes capturados en el rango de 0 a 250 km. Adicionalmente, a partir de las mediciones y del procesamiento (filtrado y análisis tiempo-frecuencia) de los registros disponibles se realizaron comparaciones con diferentes regiones del mundo. Estas comparaciones mostraron que, aunque Bogotá se encuentra localizada en una latitud cerca de la línea del Ecuador, los flashes y los return strokes medidos en la ciudad y sus alrededores exhibe un comportamiento diferente al reportado en las regiones tropicales, subtropicales y templadas. Estas diferencias son más notorias en algunos parámetros de los flashes CG negativos (porcentaje de flashes con un solo stroke, multiplicidad promedio, duración del flash e intervalo entre strokes), así como algunos parámetros de los return strokes (valor máximo del campo eléctrico, tiempo de frente, tiempo de cruce por cero y el sobrepico de polaridad opuesta). La variación de estos parámetros se puede deber a la localización geográfica de Bogotá (región montañosa) y sus condiciones climáticas.Abstract: Lightnings are high current transients whose energy is radiated from low frequencies up to several hundred MHz. These discharges are considered one of the most severe sources of electromagnetic disturbances, can affect equipment and electrical, electronic and communications systems, and in extreme case, can cause the death of people and animals. For several decades, the study of lightning has been based on the remote measurement of electric and magnetic fields generated during the discharge process. These measurements have become one of the most useful tools in the investigation of lightnings and their study have allowed to understand a good part of the processes that are developed during this atmospheric phenomenon. However, such electric and magnetic field records are always distorted by noise and other unwanted components. This situation affects the interpretation of the characteristics of the waveform and make it difficult to characterize it in both the time and the frequency domain. This thesis presents a discussion on a set of new techniques that facilitate the reduction of noise and allow an adequate time-frequency analysis on electric field and magnetic field signals radiated by return strokes of cloud-ground (CG) flashes (LEMF). The noise reduction techniques are based on the development of adaptive filters in the discrete fractional Fourier transform (DFRFT) domain and the combination of the local polynomial approximation (LPA) with the intersection of confidence intervals (ICI) algorithm. On the other hand, it is proposed the frequency-time analysis of LEMF signals using the local polynomial Fourier transform (LPFT), which is a time-frequency representation that uses a polynomial function in its kernel to describe the instantaneous frequency (IF) characteristics of time-varying phase signals. To facilitate the understanding of the proposed techniques, a theoretical review is presented illustrating its properties, advantages and disadvantages. In addition, a set of algorithms necessary for its computational implementation is proposed, evaluating its complexity and computational costs. The results show that noise reduction techniques based on DFRFT and LPA-ICI perform better and provide better results than those obtained with conventional methods such as FT, FIR linear filters and several robust methods based on the discrete wavelets transform (DWT), which have been presented and validated in other investigations. The study also revealed that the application of LPFT on LEMF signals improves the energy concentration, increases the resolution of periodograms and reduces the errors during the IF estimation. In addition, the use of this signal processing technique allows the identification of additional medium-frequency components (from 50 kHz and above) that are not observed using conventional techniques such as the short-time Fourier transform (STFT) and the wavelets transform (used in previous works). These frequency bands, although possessing low energy, are intensified by increasing the polynomial order. The testing and validation of the proposed techniques were performed using electric and magnetic field records captured by different measurement systems installed in Colombia (2004, 2013 and 2016) and Sri Lanka (2016). These measurements allowed to analyze the behavior of 509 CG flashes and to characterize the temporal and spectral parameters of 1385 return strokes captured in the range of 0 to 250 km. In addition, comparisons with different regions of the world were made from the measurements and the processing (filtering and time-frequency analysis) of the available records. These comparisons showed that, although Bogota is located at a latitude near the line of the Equator, the flashes and the return strokes measured in the city and its surroundings exhibit a behavior different from that reported for tropical, subtropical and temperate regions. These differences are more noticeable in some parameters of the negative CG flashes (percentage of flashes with a single stroke, average multiplicity, duration of the flash and interval time between strokes), as well as some parameters of the return strokes (maximum value of the electric field, time front, crossing time by zero and the overlap of opposite polarity). The variation of these parameters largely depends on the geographical location of Bogota (mountainous region) and its climatic conditions.Doctorad

Practical Method to Evaluate the Effects of the Sensor and the Environment on the Measurement of Lightning-Generated Electric Field Signatures

Indirect lightning measurement, using sensors and remote systems that record the radiated electric fields, is one of the most used methods to study and characterize this type of electrical discharges. This is due to its simplicity of implementation, low cost and the valuable information it provides. However, the measurement of the lightning-generated electric fields (LEF) can be influenced by factors such as the type of sensor, its physical features and its location, as well as by characteristics of the electromagnetic environment like geographical features, the structures that surround the measurement station and the materials of these objects. Under this consideration, this paper proposes a generalized method focused on the identification of those parameters that affect significantly influence the LEF measurement, as well as the process to estimate the correction factor of any measuring system designed for this purpose. This factor is important, as it indicates the proportion in which the signals of interest are attenuated or amplified. The method includes a review about the characteristics of the sensors, their connection scheme and a detailed analysis of the effect of the surrounding structures, taking into account parameters such as the permittivity and electrical conductivity of the materials. Finally, with the aim of presenting quantitative results, the proposed method is validated using as a practical case the information from the LEF automated measuring station owned by the Universidad Distrital Francisco José de Caldas, located in Bogotá, Colombia

Algoritmo para la estimación de la frecuencia instantánea en señales de fase variante en el tiempo usando la transformación local polinomial de Fourier

The local polynomial Fourier transform (LPFT) is a time-frequency representation (TFR) that generalizes the results obtained by the short-time Fourier transform (STFT). This mathematical tool can be used to estimate the instantaneous frequency (IF) and its derivatives into non-stationary signals or time-varying phase signals. Several publications present different methods for calculating the LPFT. However, these studies do not fully describe an algorithm for its computational implementation or require the calculation of additional functions or transformations. This paper proposes an algorithm based on the definition of the polynomial local approximation (LPA) and the use of the polynomial local periodogram (LPP) as an estimator of the FI and its derivatives. Likewise, the validation of the proposed algorithm is presented and errors (SRMSE) are considered in the calculation of the LPFT estimates. Finally, computational costs are determined from a case study. The results show that the error in the LPFT calculation decreases depending on the bandwidth of the window function and the resolution given to the possible estimates, although this process causes an increase in the number of operations performed.La transformación local polinomial de Fourier (LPFT) es una representación tiempo-frecuencia (TFR) que generaliza los resultados obtenidos por la transformación de Fourier de corto tiempo (STFT); esta herramienta matemática puede ser empleada para estimar la frecuencia instantánea (IF) y sus derivadas en señales no estacionarias o señales de fase variante en el tiempo . Varias publicaciones presentan diferentes métodos para calcular la LPFT; sin embargo, estos trabajos no describen de manera completa un algoritmo para su implementación computacional o requieren del cálculo de funciones o transformaciones adicionales. Este artículo propone un algoritmo basado en la definición de la aproximación local polinomial (LPA) y el uso del periodograma local polinomial (LPP) como estimador de la IF y sus derivadas; asimismo, se presenta la validación del algoritmo propuesto y se consideran los errores (SRMSE) en el cálculo de los estimados de la LPFT. Finalmente, se determinan los costos computacionales a partir de un caso de estudio. Los resultados muestran que el error en el cálculo de la LPFT disminuye dependiendo del ancho de la función ventana y de la resolución dada a los posibles estimados de aunque esto provoque un incremento en la cantidad de operaciones realizadas

DISEÑO DE ANTENAS DE CAMPO MAGNÉTICO COMPATIBLES CON UNA ESTACIÓN DE LA RED DE DETECCIÓN Y LOCALIZACIÓN DE RAYOS BLITZORTUNG (DESIGN OF MAGNETIC FIELD ANTENNAS COMPATIBLE WITH A STATION OF THE BLITZORTUNG LIGHTNING DETECTION AND LOCATION NETWORK)

Resumen Entre los elementos más importantes de una estación de detección y localización de rayos están las antenas de campo magnético, las cuales se acoplan a una etapa electrónica que filtra y amplifica dichas señales. La red abierta Blitzortung no es la excepción y, debido a su filosofía, promueve la mejora de su hardware y el uso de diversos tipos de sensores. Por esta razón, este artículo muestra el proceso de diseño y construcción de una antena de ferrita Ni-Zn y una antena de loop sencillo, ambas con el potencial de reemplazar los sensores típicos que emplea la red (ferrita Mn-Zn). Luego de su construcción, se realizaron pruebas experimentales sobre las antenas exhibiendo diferencias en la inductancia por debajo del 7% respecto al diseño teórico. Adicionalmente, se evidenció que el ancho de banda de ambas antenas alcanza 120 kHz, aunque al conectarlas a la etapa electrónica se obtiene un rango óptimo de operación entre 3 kHz y 40 kHz. Palabras Clave: Antena, Blitzortung, campo magnético, ferrita Ni-Zn, loop sencillo, rayos. Abstract Among the most important elements of a lightning location and detection station are the magnetic field antennas, which are coupled to an electronic stage that filters and amplifies these signals. The Blitzortung open network is no exception and, due to its philosophy, promotes the improvement of its hardware and the use of various types of sensors. For this reason, this paper shows the design and construction process of a Ni-Zn ferrite antenna and a single loop antenna, both with the potential to replace the typical sensors used in the network (Mn-Zn ferrite). After their construction, experimental tests were carried out on the antennas exhibiting differences in inductance below 7% with respect to the theoretical design. Additionally, it was evidenced that the bandwidth of both antennas reaches 120 kHz, although when connecting them to the electronic stage, an optimal operating range between 3 kHz and 40 kHz is obtained. Keywords: Antenna, Blitzortung, lightning, magnetic field, Ni-Zn Ferrite, single loop

La investigación del rayo en Colombia: Parámetros del rayo, sistemas de protección, evaluación de riesgos y sistemas de alerta

This paper summarizes the most important studies on lightning phenomenonin Colombia during the last 25 years. In order to give an in-depthtreatment to specific aspects and advances in lightning research, thisreview has been divided in four sections: lightning parameters, lightningprotection systems, risk assessment and warning systems. At the end ofthe paper, the advances and challenges on lightning research in Colombiaare presented.Este artículo sintetiza los estudios más importantes sobre la investigacióndel rayo en Colombia durante los últimos 25 años. Para dar un tratamientodetallado a aspectos específicos y avances relacionados con la investigacióndel rayo, esta revisión ha sido dividida en cuatro secciones: estudio delos parámetros del rayo, sistemas de protección, evaluación de riesgosy sistemas de alerta. El artículo finaliza con avances y retos futuros quepresenta la investigación de rayos en Colombia

Aspectos Técnicos y Normativos para el Monitoreo y Medición de Armónicos

This paper is a brief analysis of the parameters required for an adequate process ofmonitoring and measurement of harmonics in electric power networks for power qualitystudies. Initially, basics of harmonics in electric power networks are introduced; subsequently,standards and recommendations for quality control of electrical energy in theColombian context are mentioned. Following this some important points to be taken intoaccount for the appropriate acquisition and processing of the voltage and current signalsin both fundamental frequency and harmonic frequency, are presented, where the emphasisis on issues such as: harmonic measurement, determination of point of commonconnection (PCC), proper placement of the sensors and storage data equipment, powerquality measurement, frecuency of sampling, observation intervals, transducers, voltageharmonics measurement, current harmonics measurement and system conditions formeasurement.En este artículo se presenta un análisis acerca de los parámetros requeridos para un adecuado proceso de monitoreo y medición de armónicos presentes en las redes de energía eléctrica, para estudios de calidad de potencia. Inicialmente se introducen conceptos básicos de los armónicos presentes en las redes de energía eléctrica, posteriormente se mencionan las normas y recomendaciones de regulación para la calidad de energía eléctrica en el marco colombiano. Seguido a esto se presentan algunos parámetros importantes que deben ser tenidos en cuenta para una adecuada adquisición y tratamiento de las señales de tensión y corriente tanto a frecuencia fundamental como a frecuencias armónicas, donde se hace énfasis en puntos como: medición de armónicos, determinación del punto de acople o conexión común (PCC),  correcta ubicación de los sensores y registradores, equipos de medición de calidad de potencia, frecuencia de muestreo, intervalos de observación, transductores, medición de armónicos de tensión, medición de armónicos de corriente y condiciones del sistema durante la medición.

Evaluación del Apantallamiento Electromagnético del Concreto a partir de Simulaciones en Alta Frecuencia y la Aplicación del modelo de Jonscher

Context: This paper analyzes the effectiveness of electromagnetic shielding of several concrete structures based on the variation of the thickness and the content or level of humidity (NH) for a defined frequency range. Method: The study is based on the implementation of simulations in two dimensions (2D) using a software based on the finite element method (FEM) and it was developed from a set of values obtained from the application of mathematical models for dielectric media. Initially, the complex electrical properties of the structures (dielectric permittivity and conductivity) are characterized by applying the Jonscher´s mathematical model of three variables. Subsequently, these properties are evaluated with different concrete structures for a specific frequency range. Results: It is observed that the electromagnetic shielding offered by the concrete increases when the NH and the thickness of the structures are increased. Additionally, the evidencesshow that energy losses due to absorption are greater compared to the other types of losses analyzed in the study Conclusions: After the investigation, it can be affirmed that the Jonscher electromagnetic model offers a good response when it is applied to the complex electrical properties of concrete in a frequency range from 250 MHz up to 700 MHz. Also, by varying the thickness and the humidity level in the structures analyzed, an increase in the effectiveness of the total electromagnetic shielding was evidenced. Because concrete is an imperfect dielectric medium, energy losses by reflection are low compared to absorption losses and losses due to multiple reflections. However, this structural material can be used as a natural shield against radiated electromagnetic disturbances in the UHF band. Acknowledgements: This work was made possible thanks to the support and advice of the Electromagnetic compatibility and interference research group (GCEM-UD) of the Universidad Distrital Francisco José de Caldas.Contexto: Este artículo analiza la efectividad de apantallamiento electromagnético de varias estructuras de concreto en función de la variación del grosor y el contenido o nivel de humedad (NH) para un rango de frecuencias definido. Método: El estudio se fundamenta en la implementación de simulaciones en dos dimensiones (2D) usando un software basado en el método de elementos finitos (FEM) y se desarrolló a partir de un conjunto de valores obtenidos de la aplicación de modelos matemáticos para medios dieléctricos. Inicialmente, se caracterizan las propiedades eléctricas complejas de las estructuras (permitividad dieléctrica y conductividad) aplicando el modelo matemático de Jonscher de tres variables. Posteriormente, se evalúan dichas propiedades sobre diferentes estructuras de concreto para un rango de frecuencias determinado. Resultados: Se observó que el blindaje electromagnético ofrecido por el concreto aumenta cuando se incrementa el NH y el grosor de las estructuras. Adicionalmente, las pruebas evidencian que las pérdidas de energía por absorción son mayores en comparación con los demás tipos de pérdidas analizadas en el estudio. Conclusiones: Luego de la investigación se puede afirmar que modelo electromagnético de Jonscher ofrece una buena respuesta al ser aplicado a las propiedades eléctricas complejas del concreto en un rango de frecuencia desde 250 MHz hasta 700 MHz. Asimismo, al variar el grosor y el NH en las estructuras analizadas, se evidenció un aumento en la efectividad de apantallamiento electromagnético total. Debido a que el concreto es un medio dieléctrico imperfecto, las pérdidas de energía por reflexión son bajas comparadas con las pérdidas de absorción y de múltiples reflexiones. Aun así, este material estructural puede ser usado como apantallamiento natural contra perturbaciones electromagnéticas radiadas en la banda de UHF. Agradecimientos: Este trabajo fue posible gracias al soporte y asesoría del Grupo de compatibilidad e interferencia electromagnética (GCEM-UD) de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas

COMPUTATIONAL MODEL OF AN ELECTRIC POWER GENERATION SYSTEM BASED ON BIOGAS OBTAINED FROM CATTLE MANURE (MODELO COMPUTACIONAL DE UN SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA BASADO EN BIOGÁS OBTENIDO A PARTIR DEL ESTIERCOL DE GANADO)

Abstract This paper proposes a model to estimate the electricity produced by biogas obtained from cattle manure. The amount of biofuel was obtained using the anaerobic digestion model No-1 (ADM1), while the electricity generation system is composed for a gas-microturbine, a synchronous generator, a rectifier/inverter, a controller and a lowpass filter. The proposed generation model was simulated using Matlab/Simulink®. The test scenario uses data from the municipality of Puerto Berrio (department of Antioquia), which is one of the regions of Colombia with the highest average livestock density (258 animals per farm). According to the simulations, a typical farm in Puerto Berrio can produce 9.3 m3/day of manure. For this waste, a 590 m3 is need, which can generate 123 m3/day of biogas with a methane concentration of almost 50%. Finally, the biogas produced during 100 days is capable of supply 2952 kWh. Keywords: ADM1, biogas, cow manure, gas-microturbine, MATLAB/Simulink®. Resumen Este artículo propone un modelo para estimar la electricidad producida por biogás obtenido del estiércol de ganado. La cantidad de biocombustible se obtiene usando el modelo de digestión anaeróbica No-1 (ADM1), mientras que el sistema de generación de electricidad está compuesto por una microturbina, un generador síncrono, un rectificador/inversor, un controlador y un filtro paso-bajo. El modelo de generación propuesto se simuló usando Matlab/Simulink®. El escenario de prueba emplea datos del municipio de Puerto Berrio (departamento de Antioquia), el cual es una de las regiones de Colombia con mayor densidad promedio de ganado (258 animales por granja). Según las simulaciones, una granja típica en Puerto Berrio puede producir 9.3 m3/día de estiércol. Para este residuo, se necesita un biodigestor de 590 m3 que puede generar 123 m3/día de biogás con una concentración de metano cercana al 50%. Finalmente, el biogás producido durante 100 días es capaz de suministrar 2952 kWh. Palabras Clave: ADM1, biogás, estiércol de vaca, MATLAB/Simulink®, microturbina de gas

Microturbina operada con biogás generado por estiércol bovino

This article presents the results of analyzing the behavior of a distributed generation system composed by a microturbine operated with biogas, varying the characteristic load of a non-interconnected zone (ZNI). For it, identifies a ZNI with high potential for the electric use of the biogas using statistical data of livestock production and electrical coverage; then, the biogas production and its composition are estimate applying the anaerobic digestion model (ADM1) implemented in MATLAB/Simulink®; subsequently the distributed generation system is simulated using the same programming environment. It achieved that with 1% of the manure produced by the cattle industry of San Vicente del Caguán (66203,6 kg/day) it would be possible to generate 78868 kg of methane in 100 days. With this amount of biofuel, the average electrical demand (29,97 kW) of the town of San Juan de Caquetania (Colombia) could be supplied for 444 days using a 65 kW microturbine.El artículo presenta los resultados del análisis del comportamiento de un sistema de generación distribuida compuesto por una microturbina operada con biogás, variando una carga característica de una zona no interconectada (ZNI). Para ello, se identifica una ZNI con alto potencial para el aprovechamiento eléctrico del biogás usando datos estadísticos de producción pecuaria y cobertura eléctrica; luego se estima la producción de biogás y su composición aplicando el modelo de digestión anaerobia (ADM1) implementado en MATLAB/Simulink®; posteriormente el sistema de generación distribuida es simulado usando el mismo entorno de programación. Se obtuvo que con el 1% del estiércol producido por la industria bovina de San Vicente del Caguán (66203,6 kg/día) sería posible generar 78868 kg de metano en 100 días; con esta cantidad de biocombustible se podría abastecer la demanda eléctrica promedio (29,97 kW) de la localidad San Juan de Caquetania (Colombia) durante 444 días usando una microturbina de 65 kW

INFRAESTRUCTURA DE COMUNICACIONES EN MICRORREDES ELECTRICAS

Este artículo muestra un estudio de la actualidad técnica y tecnológica de la infraestructura de comunicaciones utilizadas en  microrredes eléctricas, en este sentido ha surgido la necesidad de investigar, analizar, mejorar y desarrollar métodos de comunicación tanto alámbricos como inalámbricos que permitan crear una infraestructura de comunicaciones que soporte las características de control, supervisión y trasmisión de información entre dispositivos de control en una microrred de forma eficiente, segura y confiable.Dadas estas características en el artículo se analizan  las diferentes arquitecturas y topologías propuestas entorno a comunicaciones en el ambiente Smart Grid que se puedan adaptar a la forma en que opera una microrred. Se muestran las propuestas  y desarrollos realizados en el  área de telecomunicaciones concerniente a protocolos de comunicaciones utilizados en microrredes eléctricas, con el fin de conocer las tecnologías, protocolos y algoritmos utilizados en la transmisión de datos