Revista Técnica energía

Análisis de Estabilidad Transitoria Utilizando el Concepto de Inercia y Minería de Datos

Resumen: Este trabajo propone una metodología para evaluar la estabilidad transitoria en sistemas eléctricos de potencia mediante el algoritmo clustering de series temporales (TimeSeriesKMeans) utilizando la métrica Dynamic Time Warping (DTW). Se desarrolla un código mediante el lenguaje de programación Python integrado con DIgSILENT Power Factory, el cual permite extraer los ángulos del rotor de cada uno de los generadores basado en simulaciones en el sistema de New England de 39 barras y 10 generadores y referenciarlos al Centro de Inercia (COI, Center Of Inertia) y con el uso de Python aplicar la técnica de “unwrapping” que es una técnica que corrige los cambios bruscos de las señales de fase, eliminando así las discontinuidades existentes entre el rango de − π a π. Posteriormente, se emplea el algoritmo TimeSeriesKMeans basado en DTW para segmentar las unidades de generación según su respuesta transitoria, permitiendo identificar unidades críticas y no críticas. Dado a que DIgSILENT Power Factory solo permite representar los ángulos del rotor con respecto a una unidad de referencia, se limita del comportamiento del sistema. Para abordar esta limitación, se implementan los resultados de este trabajo directamente en DIgSILENT Power Factory, cuyas gráficas de resultados se procesan en Python y desplegadas en el entorno de DIgSILENT Power Factory, lo que contribuye a la toma de decisiones más eficientes en la operación y planificación del Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP).

Abstract: This work proposes a methodology for evaluating transient stability in power systems using the time series clustering algorithm TimeSeriesKMeans, based on the Dynamic Time Warping (DTW) metric. A custom Python script is developed and integrated with DIgSILENT PowerFactory, allowing the extraction of rotor angles from each generator based on simulations carried out on the 39-bus, 10-generator New England test system. These angles are referenced to the Center of Inertia (COI), and the Python environment is used to apply the unwrapping technique, which corrects abrupt phase signal changes by eliminating discontinuities in the range from −π to π. Subsequently, the TimeSeriesKMeans algorithm with DTW is employed to cluster the generating units according to their transient response, enabling the identification of critical and non-critical units. Since DIgSILENT PowerFactory only allows the visualization of rotor angles relative to a single reference machine, this restricts the ability to fully observe the system’s dynamic behavior. To overcome this limitation, the results obtained through the proposed methodology are implemented directly within DIgSILENT PowerFactory. The processed outputs, generated in Python, are then visualized within the DIgSILENT environment, contributing to more efficient decision-making in the operation and planning of Power Systems (PS).

Metodología para Calcular los Límites de Estabilidad Estática de Ángulo en el Sistema Nacional Interconectado (SNI) Ecuatoriano Usando el Criterio de Áreas Iguales y Mediciones Sincrofasoriales

Resumen: La estabilidad estática de ángulo es un aspecto crítico en la operación de sistemas eléctricos, asegurando la sincronización de los generadores ante perturbaciones. En el Ecuador, el Operador Nacional de Electricidad CENACE utiliza la herramienta WAProtector como apoyo para monitorear el estado del sistema y realizar diversos análisis y estudios específicos, la cual incluye un módulo para el análisis de estabilidad estática de ángulo. Esta herramienta recibe datos en tiempo real desde Unidades de Medición Sincrofasorial (PMU) instaladas en el Sistema Nacional Interconectado (SNI). El objetivo de este trabajo es establecer límites de estabilidad estática de ángulo entre barras continuas, los cuales deben ser configurados dentro de WAProtector. Para ello, se propone una metodología basada en el criterio de áreas iguales, aplicada sobre datos obtenidos mediante simulaciones en el software PowerFactory de DIgSILENT, y validada con registros históricos de WAProtector. El estudio se acota en siete líneas de transmisión del SNI, seleccionadas por contar con información completa y confiable tanto en simulación como en registro del sistema WAMS. Los resultados muestran que los valores de ángulo crítico oscilan entre 43° y 53°, y que en la mayoría de casos el sistema alcanza primero los límites térmicos antes que los límites por estabilidad angular. Esta metodología ofrece una solución práctica para definir límites operativos confiables en herramientas de supervisión del sistema eléctrico ecuatoriano.

Abstract: Static angle stability is a critical aspect in the operation of power systems, ensuring generator synchronization under disturbances. In Ecuador, the National Electricity Operator (CENACE) uses the WAProtector tool to support system monitoring and perform various specific analyses and studies. This tool includes a module for static angle stability analysis and receives real-time data from Phasor Measurement Units (PMUs) installed across the National Interconnected System (SNI). The objective of this work is to establish static angle stability limits between consecutive buses, which must be configured within WAProtector. To achieve this, a methodology based on the Equal Area Criterion is proposed, applied to data obtained from simulations in DIgSILENT PowerFactory software and validated with historical WAProtector records. The study focuses on seven transmission lines of the SNI, selected due to the availability of complete and reliable data from both simulations and the WAMS system. The results show that critical angle values range between 43° and 53°, and in most cases, thermal limits are reached before angular stability limits. This methodology provides a practical solution for defining reliable operational limits in monitoring tools for the Ecuadorian power system.

Análisis del Impacto de la Penetración de Energías Renovables no Gestionables en la seguridad operativa de los Sistemas Eléctricos de Potencia

Resumen: Este trabajo analiza el impacto de la integración de generadores basados en energías renovables no gestionables en el Sistema Nacional Interconectado (SNI), con un enfoque en el proyecto eólico Yanahurcu, que propone añadir 52,8 MW de generación renovable al sistema. Para ello, se plantea una metodología sistematizada que realiza tres tipos de análisis de forma secuencial y complementaria. En primer lugar, se aplica un análisis probabilístico de flujos de potencia para evaluar la capacidad del proyecto de aportar energía al sistema bajo diversas condiciones operativas. Luego, se estudia su impacto en la seguridad dinámica mediante simulaciones en el dominio del tiempo, considerando su aporte de potencia reactiva ante fallas en la red. Además, se realiza una evaluación de confiabilidad (generation adequacy), que incluye indicadores como la probabilidad de pérdida de carga y la energía no suministrada, fundamentales para determinar la capacidad del sistema de cubrir la demanda ante la incorporación de bloques de generación no gestionable. Para los análisis eléctricos se utiliza DIgSILENT PowerFactory, lo cual permite integrar datos y modelar funciones de densidad de probabilidad. Los resultados obtenidos permiten una valoración adecuada de la seguridad operativa del proyecto, y comprueban la efectividad de la metodología propuesta, la cual podría implementarse en futuros proyectos en Ecuador para evaluar el impacto de futuros proyectos renovables.

Abstract: This study analyzes the impact of integrating non-dispatchable renewable energy generators into the National Interconnected System (SNI), focusing on the Yanahurcu wind project, which aims to add 52.8 MW of renewable generation to the system. To achieve this, a systematic methodology is proposed, consisting of three sequential and complementary types of analysis. First, a probabilistic power flow analysis is applied to assess the project's ability to contribute energy to the system under various operating conditions. Then, its impact on dynamic security is evaluated through time-domain simulations, considering its reactive power contribution during grid faults. Additionally, a generation adequacy assessment is performed, including key indicators such as the Loss of Load Probability (LOLP) and Expected Energy Not Supplied (EENS), which are essential to determine the system’s capacity to meet demand given the integration of non-dispatchable generation blocks. DIgSILENT PowerFactory is used for the electrical studies, allowing the integration of data and modeling of probability density functions. The results enable a proper evaluation of the project's operational security and confirm the effectiveness of the proposed methodology, which could be applied in Ecuador to assess the impact of future renewable energy projects.

Análisis y Caracterización de la Calidad de Energía utilizando Minería de Datos

Resumen: El presente trabajo aborda la problemática de la calidad de energía en redes de distribución eléctrica, enfocándose en la identificación y evaluación de distorsiones armónicas, las cuales pueden afectar el funcionamiento de equipos y el cumplimiento normativo. Para ello, se implementó una metodología que combina el análisis univariante a fin de verificar el cumplimiento con las normas IEEE 519-2022 y ARCONEL 009/2024, junto con técnicas de minería de datos como el Análisis de Componentes Principales (PCA) y el algoritmo de clústeres K-Means, que permiten clasificar los armónicos según su comportamiento en el sistema eléctrico. La metodología fue validada a través del análisis del histórico de armónicos de una industria cementera, cuya red de distribución opera a 22 kV. Los resultados permitieron identificar periodos críticos en los que se superan los límites normativos, principalmente por el funcionamiento de variadores de frecuencia, inversores y rectificadores asociados a procesos industriales como extracción de materia prima, molienda, precalentamiento, calcinación, ensacado y despacho. El modelo desarrollado demostró ser eficaz para procesar grandes volúmenes de datos, detectar las principales fuentes de distorsión armónica y segmentar el comportamiento por horario y día, lo que facilita la implementación de estrategias de mitigación y su adaptación a diferentes entornos industriales.

Abstract: This work addresses the issue of power quality in electrical distribution networks, focusing on the identification and evaluation of harmonic distortions, which can affect equipment performance and regulatory compliance. To achieve this, a methodology was implemented that combines univariate analysis to verify compliance with the IEEE 519-2022 standard and the ARCONEL 009/2024 regulation, along with data mining techniques such as Principal Component Analysis (PCA) and the K-Means clustering algorithm, which classify harmonics based on their behavior within the electrical system. The methodology was validated through the analysis of historical harmonic data from a cement industry whose distribution network operates at 22 kV. The results made it possible to identify critical periods in which harmonic levels exceeded regulatory limits, mainly due to the operation of variable frequency drives, inverters, and rectifiers used in industrial processes such as raw material extraction, grinding, preheating, kiln operation, bagging, and dispatch. The developed model proved effective in processing large volumes of data, identifying the main sources of harmonic distortion, and segmenting behavior by time and day, thus facilitating the implementation of mitigation strategies and its adaptation to various industrial environments.

Análisis de la Eficiencia Energética en un Horno Eléctrico con la Implementación de un Ventilador Convectivo

Resumen: Este trabajo presenta un análisis de eficiencia energética de un horno eléctrico utilizado para tratamiento térmico de revenido, mediante la implementación de un ventilador de convección forzada. La eficiencia energética en sistemas de calentamiento industrial es un desafío actual, impulsado por la necesidad de reducir costos operativos y mejorar la sostenibilidad. Basándose en los mecanismos de transferencia de calor, se desarrolló un modelo numérico utilizando dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés) con un mallado de 138 565 elementos y validación de calidad de malla de 4.681. Se analizaron las ecuaciones de conservación de continuidad, momento y energía, bajo condiciones reales de operación. Los resultados mostraron que la temperatura máxima alcanzada se incrementó de 290 a 327.2 K con el ventilador, mientras el consumo eléctrico aumentó solo un 1.54 %, representando un costo adicional mínimo de USD 0.0005 por ciclo de operación. Esta mejora térmica permite una mayor homogeneidad de temperatura y tiempos de operación más cortos. Por lo que, la incorporación de un sistema de convección forzada en hornos eléctricos industriales es una estrategia de alta viabilidad técnica y económica.

Abstract: This study presents an energy efficiency analysis of an electric furnace used for tempering heat treatments by implementing a forced convection fan. Improving energy efficiency in industrial heating systems remains a critical challenge, driven by the need to lower operational costs and enhance sustainability. A numerical model was developed based on heat transfer mechanisms, applying computational fluid dynamics (CFD) with a mesh of 138 565 elements and a validated mesh quality factor of 4.681. The continuity, momentum, and energy conservation equations were analyzed under real operating conditions. Results indicated that the maximum temperature increased from 290 to 327.2 K with the addition of the fan, while electrical consumption rose by only 1.54%, corresponding to an additional cost of merely USD 0.0005 per operating cycle. This thermal enhancement promotes greater temperature uniformity and reduces operational times. Consequently, integrating a forced convection system in industrial electric furnaces proves to be a technically and economically viable strategy.

Electrocoagulación como Alternativa Sostenible para el Tratamiento de Efluentes de Refinería: Aplicación en Refinería Esmeraldas

Resumen: La contaminación de los efluentes generados por la industria de refinación de petróleo constituye un problema ambiental crítico, debido a la presencia de hidrocarburos, fenoles y materia orgánica refractaria que impiden su vertido sin tratamiento. Este estudio evalúa la eficiencia del tratamiento electroquímico mediante electrocoagulación del efluente de proceso de la Refinería Estatal Esmeraldas (REE), utilizando electrodos de aluminio y zinc. Se analizó la reducción de hidrocarburos totales de petróleo (TPH), fenoles y demanda química de oxígeno (DQO) en un sistema de celda electroquímica a escala de laboratorio, bajo condiciones controladas de pH, densidad de corriente y temperatura. Se alcanzaron eficiencias promedio de remoción del 73,69 % para TPH, 57,54 % para fenoles y 50,61 % para DQO, con un consumo energético específico de 2,1 kWh/m³ para un volumen de 4 litros por 60 minutos de tratamiento. Los resultados indican que la electrocoagulación es una alternativa técnica viable para el tratamiento de aguas residuales petroleras, y puede contribuir al cumplimiento de la normativa ambiental ecuatoriana vigente. Además, el estudio destaca la influencia de la composición inicial del efluente en la eficiencia del proceso y plantea la necesidad de investigaciones adicionales para optimizar el desempeño operativo en condiciones aceptables.

Abstract: The contamination of effluents generated by the oil refining industry is a critical environmental problem, due to the presence of hydrocarbons, phenols and refractory organic matter that prevent their discharge without treatment. This study evaluates the efficiency of electrochemical treatment by electrocoagulation of the process effluent from the Esmeraldas State Refinery (REE), using aluminum and zinc electrodes. The reduction of total petroleum hydrocarbons (TPH), phenols and chemical oxygen demand (COD) was analyzed in a laboratory-scale electrochemical cell system under controlled conditions of pH, current density and temperature. Average removal efficiencies of 73.69 % for TPH, 57.54 % for phenols and 50.61 % for COD were achieved, with a specific energy consumption of 2.1 kWh/m³ for a volume of 4 liters per 60 minutes of treatment. The results indicate that electrocoagulation is a viable technical alternative for the treatment of oil wastewater and can contribute to compliance with current Ecuadorian environmental regulations. In addition, the study highlights the influence of the initial composition of the effluent on the efficiency of the process and raises the need for further research to optimize operating performance under acceptable conditions.

Estrategia Adaptativa para el Alivio de Carga en Sistemas Eléctricos de Potencia Basada en Regresión Lineal

Resumen: El equilibrio entre generación y demanda es esencial para la estabilidad de frecuencia en sistemas eléctricos de potencia. Sin embargo, la creciente penetración de energías renovables intermitentes ha reducido la inercia del sistema, exponiendo limitaciones en los esquemas tradicionales de control de frecuencia. Para afrontar este desafío, se sugiere un esquema de alivio de carga adaptativo, basado en la tasa de cambio de frecuencia (ROCOF) y la inercia equivalente, optimizado mediante regresión lineal para poder potenciar la respuesta del sistema ante contingencias. La propuesta se valida en el sistema IEEE de 39 barras, valorando contingencias N-1 y distintos niveles de inercia. Este trabajo de investigación demuestra que el esquema propuesto permite una recuperación más eficiente de la frecuencia con una menor desconexión de carga, superando los métodos convencionales. Además, el enfoque adaptativo fortalece la resiliencia del sistema, haciéndolo más flexibles sin comprometer la estabilidad operativa. Este estudio resalta la necesidad de soluciones inteligentes y basadas en datos para reforzar la estabilidad de los sistemas eléctricos, garantizando un suministro más seguro y sostenible en el contexto de los sistemas eléctricos adaptativos.

Abstract: The balance between generation and demand is essential for frequency stability in electrical power systems. However, the increasing penetration of intermittent renewables has reduced the inertia of the system, exposing limitations in traditional frequency control schemes. To meet this challenge, an adaptive load relief scheme, based on the rate of change of frequency (ROCOF) and equivalent inertia, optimized by linear regression to enhance the system's response to contingencies, is suggested. The proposal is validated in the IEEE system of 39 bars, assessing N-1 contingencies and different levels of inertia. This research work demonstrates that the proposed scheme allows a more efficient frequency recovery with less load disconnection, surpassing conventional methods. In addition, the adaptive approach strengthens the resilience of the system, making it more flexible without compromising operational stability. This study highlights the need for smart, data-driven solutions to strengthen the stability of electricity systems, ensuring a safer and more sustainable supply in the context of adaptive electricity systems.

Electrocoagulación como Alternativa Sostenible para el Tratamiento de Efluentes de Refinería: Aplicación en Refinería Esmeraldas

Resumen: Este trabajo presenta el diseño, implementación y evaluación de un sistema de seguimiento solar de doble eje basado en un algoritmo astronómico de resolución intermedia. El sistema fue instalado en la terraza del Bloque B de la Universidad Técnica de Cotopaxi, y se conforma exclusivamente por módulos fotovoltaicos, sin inversores ni cargas, permitiendo así la medición segura de la corriente de cortocircuito (Isc) como variable de análisis. Se emplearon dos celdas fotovoltaicas calibradas para registrar la irradiancia incidente en un sistema móvil y otro fijo (inclinado a 15° hacia el norte). El algoritmo astronómico calcula en tiempo real los ángulos de elevación y acimut, activando el movimiento cuando la diferencia angular supera ±1°. Los resultados indican un incremento promedio del 19.85 % en la irradiancia captada por el sistema móvil respecto al fijo. Se incluye además un análisis de correlación entre el ángulo de inclinación y la irradiancia, así como validación de la trayectoria solar calculada. Esta investigación representa la primera fase de un proyecto que integrará control híbrido y análisis económico en etapas futuras.

Abstract: This paper presents the design, implementation, and evaluation of a dual-axis solar tracking system based on an intermediate-resolution astronomical algorithm. The system was installed on the rooftop of Block B at the Technical University of Cotopaxi and consists exclusively of photovoltaic modules, with no inverters or loads, allowing safe measurement of short-circuit current (Isc) as an indicator of energy capture. Two calibrated photovoltaic reference cells were used to record the incident irradiance on both a mobile and a fixed array (inclined at 15° north). The astronomical algorithm calculates solar elevation and azimuth angles in real time, triggering actuator movement when angular deviation exceeds ±1°. Results show a 19.85% average increase in irradiance captured by the mobile system compared to the fixed system. Additionally, the correlation between inclination angle and irradiance is analyzed, and the solar path model is validated. This research constitutes the first phase of a broader project that will integrate hybrid control strategies and economic analysis in future stages.