Revista Técnica energía

Python-based Tool for Inertial Power Flow Studies

Resumen En este trabajo se presenta la formulación matemática del denominado “Flujo de Potencia Inercial”, que permite encontrar un nuevo punto de equilibrio en un sistema de potencia que es sometido a una perturbación, a partir de una condición inicial dada. El método de solución se basa en la modificación del algoritmo de Newton - Raphson para la solución de flujos de potencia, incorporando las ecuaciones que caracterizan la acción de los sistemas de control de los generadores (gobernador de velocidad y regulador de voltaje), y las ecuaciones de modelación de la carga dependiente del voltaje y frecuencia. De esta manera se puedan calcular la desviación de frecuencia del sistema, la redistribución de los flujos de potencia en la red (Slack Distribuida), así como, los cambios en los voltajes nodales. La herramienta de software es desarrollada en lenguaje Python y aplicada al sistema IEEE New England de 39 barras y 10 generadores. Los resultados obtenidos son comparados con los obtenidos del programa Power Factory de DIgSILENT, calculando los errores relativos que permiten la validación de la herramienta desarrollada.

Abstract In this work, the mathematical formulation of the "Inertial Power Flow" is presented, which allows finding a new equilibrium point in a power system that is subjected to a disturbance, starting from a given initial condition. The solution method is based on the modification of the Newton-Raphson algorithm for the solution of the power flow problem, incorporating the equations that characterize the action of the generator control systems (speed governor and voltage regulator), and the voltage and frequency dependent load modeling equations. In this way, the frequency deviation of the system, the redistribution of power flows in the network (Distributed Slack), as well as the changes in nodal voltages can be calculated. The software tool is developed in Python language and applied to the IEEE New England system. The results using the software tool are compared with those obtained from the DIgSILENT Power Factory program, where the relative errors are calculated in order to validate the developed tool.

Statistical Analysis of Overvoltages due to Energizing Switching in Extra High Voltage Transmission Lines

Resumen En este trabajo se aplican las distribuciones Gaussiana y Weibull modificada para obtener las sobretensiones representativas de maniobras de energización en líneas de Extra Alto Voltaje y se comparan los resultados obtenidos en las sobretensiones representativas fase-tierra y fase-fase para tres escenarios de energización. Además, se expone la metodología para realizar un estudio estadístico de sobretensiones en el software ATPDraw, tomando como caso de estudio la interconexión Ecuador-Perú 500 kV. Los resultados demuestran que ambas distribuciones son aplicables para un análisis estadístico de sobretensiones si se consideran magnitudes de voltaje con igual probabilidad de aparecer en el sistema.

Abstract: In this paper, the Gaussian and modified Weibull distributions are applied to obtain the representative overvoltages of energizing switching operations in Extra High Voltage lines, and the results obtained in the representative phase-to-ground and phase-to-phase overvoltages for three energizing scenarios are compared. In addition, the methodology to perform a statistical study of overvoltages in the ATPDraw software is presented, using the Ecuador-Peru 500 kV interconnection as a case study. The results show that both distributions are applicable for statistical analysis of overvoltages if voltage magnitudes with equal probability of appearing in the system are considered.

Analysis of Quality Indicators for the Update of Regulation No. CONELEC - 003/08 Quality of Electricity Transport and Transmission and Connection Service in the National Interconnected System

Resumen: En este artículo se presenta el diagnóstico de la situación de la calidad del servicio de la Transmisión en el Ecuador a partir del análisis de la información estadística del Sistema Nacional de Transmisión (SNT) y la evolución de los parámetros e indicadores de calidad establecidos en la regulación No. CONELEC - 003/08 Calidad del Transporte de Electricidad y del Servicio de Transmisión y Conexión en el Sistema Nacional Interconectado. Además de esto, bajo la consideración de que la regulación en referencia no ha sido modificada desde su aprobación en el año 2008 y que hoy en día se cuenta con una topología de red distinta, incluso con nuevos niveles de voltaje para el SNT, con base a los resultados obtenidos, se analizan aspectos que podrían considerarse para la actualización o reforma de la referida regulación. Para el efecto se estudiaron las normas IEEE y regulaciones internacionales de calidad de transmisión para identificar los índices y límites utilizados para su control a nivel mundial.

Abstract: This article presents a diagnosis of the transmission service quality situation in Ecuador based on the analysis of the statistical information of the National Transmission System (SNT) and the evolution of the quality parameters and indicators established in the Regulation No. CONELEC - 003/08 Quality of Electricity Transportation and Transmission and Connection Service in the National Interconnected System. In addition to this, considering that the aforementioned regulation has not been modified since its approval in 2008 and that today there is a different network topology, even with new voltage levels for the SNT, based on results obtained, new criteria are proposed that allow the updating or reform of the Regulation; For this purpose, IEEE standards and international transmission quality regulations were examined to identify the indices and limits used for their control.

QV Analysis for the Identification of Vulnerable Zones to Voltage Collapse: A Study Case

Resumen: Las redes radiales de alta tensión son muy propensas a sufrir inestabilidades de tensión cuando se presentan fallas. Dentro de las acciones preventivas ante este tipo de eventos, la instalación de compensación de potencia reactiva en las zonas con más problemas de tensión es una alternativa económica y sencilla de aplicar. Trabajos previos han utilizado el método de las curvas QV basados en flujos de potencia en estados de contingencia para identificar tales zonas. Sin embargo, este procedimiento es criticado debido a que no contempla el efecto dinámico de elementos que cambian su comportamiento de acuerdo a los niveles de tensión, especialmente en escenarios de contingencia. Con el fin de subsanar esta crítica, este artículo propone el uso de las mismas curvas QV basándose en los puntos de operación resultantes de simulaciones dinámicas. Para evaluar la metodología propuesta, se utilizó el modelo de la red radial de alta tensión de la Patagonia, al sur de Argentina, por medio del software PSS/E en conjunto con el lenguaje de programación Python. Los resultados detectaron las zonas más propensas a la inestabilidad de tensión y el requerimiento de potencia reactiva necesaria para que la red opere en niveles de tensión aceptables. La metodología propuesta puede ser replicada en cualquier tipo de red. Por ejemplo, en el contexto latinoamericano, se podría utilizar en posibles futuras expansiones de red, especialmente en aquellas que vinculen países como Ecuador con Colombia o Perú, o también el Sistema Interconectado Centroamericano.

Abstract: Radial High-Voltage networks have problems ensuring voltage stability when a fault occurs. Among preventive actions for these events, installing reactive power compensation in the most vulnerable zones to voltage instability is an economical and simple alternative. Previous works have used the QV curves methodology based on contingency power flows to identify such zones. However, this method has been criticized because it does not consider the dynamical effect of some network elements that depend on the voltage levels, especially in contingency scenarios. This article proposes a QV curve analysis based on the operating point resulting from dynamic simulations to amend this critique. To evaluate the proposed procedure, the model of the Patagonian High-Voltage Network in southern Argentina is used through the PSS/E software with the help of the Python programming language. The results detect the most vulnerable areas to voltage instability after a fault occurs and the reactive power necessary to maintain voltage levels in an acceptable operating range. The proposed methodology can be applied to other networks. For example, it can be used in the Latin-American context to assess future network expansions, especially on those linking countries, such as Ecuador with Perú or Colombia, or even the Centro American Interconnected System.

Economic Dispatch of Energy Systems in Multiple Areas using Network Flow Programming

Resumen: La demanda eléctrica es dinámica en el tiempo aspecto por el cual su abastecimiento debe ser una tarea primordial, razón por la cual el despacho económico (DE) busca determinar la cantidad de energía a ser entregada por todos los generadores de la manera más rentable y que a su vez cumplen una variedad de restricciones físicas y operativas en un sistema de área única. Sin embargo y por generalidad, los generadores se segregan en una serie de áreas de generación interconectadas por líneas de enlace. El despacho económico multi-área (DEM) es una escalada del despacho económico de una sola área. En este sentido, el presente trabajo desarrolla un modelo de optimización que será resuelto mediante GAMS y determina, través de DEM, el nivel de generación y el intercambio de energía entre áreas para minimizar el costo en todas las regiones al mismo tiempo cumpliendo con las restricciones de equilibrio de energía, restricciones de reserva, restricciones de rampas de subida y bajada de potencia de cada generador y restricciones de capacidad del enlace entre las distintas áreas.

Abstract: Electricity demand is dynamic in time, aspect for which its supply should be a primary task, which is why the economic dispatch (DE) seeks to determine the amount of energy to be delivered by all generators in the most profitable way and which in turn, they meet a variety of physical and operational constraints in a single area system. However, in general, generators are segregated into a series of generation areas interconnected by link lines. Multi-area economic dispatch (DEM) is an escalation of single-area economic dispatch. In this sense, the present work develops an optimization model that will be solved through GAMS and determines, through DEM, the level of generation and energy exchange between areas to minimize the cost in all regions while complying with the restriction’s energy balance, reserve restrictions, power ramp up and down ramp restrictions for each generator, and link capacity restrictions between the different areas.

Automatic Load Shedding Scheme for Electrical Systems Serving Oil Extraction Facilities

Resumen: Este documento presenta una metodología para el diseño de un Esquema de Alivio de Carga (EAC) para sistemas eléctricos que sirve a facilidades de extracción de petrolero. El campo petrolero, a lo largo de su operación, ha experimentado problemas en su sistema de generación eléctrica, lo cual ha ocasionado colapsos totales por baja frecuencia. El sistema eléctrico del campo es modelado en software de simulación ETAP, incluyendo la dinámica de los generadores y sus sistemas de control (reguladores automáticos de voltaje y reguladores de velocidad) considerando valores típicos y validando los modelos en base a mediciones obtenidas del sistema SCADA. A través de simulaciones en el dominio del tiempo, se obtiene la evolución de la frecuencia ante la perdida de generación para varios escenarios operativos; estos escenarios son clasificados en base a la tasa de cambio de la frecuencia (ROCOF). Se genera una lista de prioridad cargas para su desconexión. Finalmente, se proponen un EAC adaptativo y EAC de frecuencia fija y ROCOF, cuyo desempeño es comparado a través de simulaciones dinámicas.

Abstract: This document presents a methodology for the design of an Automatic Load Shedding scheme (ALS) for electrical systems that serve oil extraction facilities. The oil field, throughout its operation life, has experienced problems in its electrical generation system, which has caused its total collapse due to low frequency. The electrical system is modeled in ETAP simulation software, including the dynamics of the generators and their control systems (automatic voltage regulators and speed regulators) considering typical parameters, the models are validated through measurements obtained from the SCADA system. Through time domain simulations, the evolution of the frequency in the face of generation loss is obtained for various operating scenarios; these scenarios are classified based on the rate of change of frequency (ROCOF). A list of load priorities for disconnection is generated. Finally, an adaptive EAC and EAC based on fixed frequency and ROCOF are proposed, whose performance is compared through dynamic simulations.

Hardware In The Loop Implementation for the Analysis of Frequency Control Scenarios in a Microgrid Using WAMS

Resumen: El presente articulo describe la metodología para la implementación y desarrollo de un sistema con funciones de control de frecuencia de una microrred en un entorno de simulación en tiempo real. El método que se presentara en este trabajo ha sido desarrollado utilizando la simulación en el dominio en el tiempo mediante HYPERSIM que es un software para análisis de transitorios electromagnéticos con alta resolución, el paso de integración utilizado permitió obtener la respuesta de un panel solar con sus controladores e inversores conectados a una red de distribución y a una carga. La respuesta de la microrred se la integro con el sistema WAMS de CENACE mediante la conexión de un equipo PMU en la arquitectura Hardware In The Loop la cual utiliza las entradas y salidas analógicas de la simulación en tiempo real, este desarrollo analiza de forma dinámica diferentes escenarios operativos y de contingencia de la microrred, especialmente la respuesta de frecuencia ante un evento de desconexión de generación.

Abstract: This paper describes the methodology for the implementation and development of a system with frequency control functions of a microgrid in a real-time simulation environment. The method presented in this work has been developed using time domain simulation with HYPERSIM which is a software for high resolution electromagnetic transient analysis. The integration step used allowed to obtain the response of a solar panel with its controllers and inverters connected to a distribution network and a load. The response of the microgrid was integrated with the WAMS system of CENACE through the connection of a PMU equipment in the Hardware In The Loop architecture which uses the analog inputs and outputs of the simulation in real time, this development analyzes dynamically different operational and contingency scenarios of the microgrid, especially the frequency response to a generation disconnection event.

Forecasting Models of Solar Radiation and Air Temperature through Recurrent Neural Network

Resumen: RES El objetivo de este estudio es comparar dos arquitecturas de redes neuronales recurrentes de Elman y Jordan (RNRE y RNRJ), enfocadas en predicción de dos días de radiación solar y temperatura ambiente. Las entradas del modelo de predicción son variables meteorológicas como velocidad del viento, presión atmosférica, humedad relativa y precipitación. El Instituto de Investigación Geológico y Energético proveyó los datos de tres estaciones meteorológicas situadas en las Provincias de Pichincha y Tungurahua para las etapas de entrenamiento, validación y predicción de las redes. Cada red se entrenó con tres funciones de aprendizaje, retropropagación, retropropagación de momento y retropropagación resiliente. Los resultados muestran los parámetros estadísticos de correlación de Pearson, error cuadrático medio y el comportamiento de la predicción sobre gráficas de temperatura del aire y radiación solar, de acuerdo a los modelos de RNRE y RNRJ. Este trabajo presenta coeficientes de correlación superiores a 0,9 en la etapa de validación. En la etapa de predicción, el coeficiente de correlación es superior a 0,8 y el error cuadrático medio muestra valores inferiores a 0,02 kW de radiación solar y 2 ºC de temperatura ambiente.

Abstract: The aim of this study is to compare two architectures of recurrent neural networks of Elman and Jordan (RNRE and RNRJ), focus on the forecasting for two days of solar radiation and air temperature. The inputs of the forecasting model are meteorological variables as wind speed, atmospheric pressure, relative humidity and precipitation. The Research Institute for Geology and Energy of Ecuador provided the data of three meteorological stations situated in the provinces of Pichincha and Tungurahua for neural network training, validation and forecasting stages. Each network was trained with three different learning functions: backpropagation, backpropagation momentum and resilient propagation. The results shows the statistical parameters, Person correlation, mean square error and forecasting behavior on graphics for air temperature and solar radiation, according to RNRE and RNRJ model. This work shows correlation index greater than 0,9 in the validation stage. In the forecasting stage, the correlation index is higher than 0,8 and the mean square error shows values less than 0,02 kW for solar radiation and 2 ºC for air temperature.

Interpretation of Gases Dissolved in Dielectric Oil Using Random Forests for the Detection of Anomalies in Power Transformers

Resumen: El siguiente documento presenta una herramienta de aprendizaje automático para la interpretación de anomalías en transformadores de potencia utilizando el método de bosques aleatorios. Mediante los resultados de ensayos de cromatografía de gases en aceite dieléctrico de varios artículos publicados, se utiliza el conjunto de datos entregados por el análisis de gases disueltos (AGD) en cantidades de partes por millón (ppm), la cantidad de gases de hidrocarburos como el hidrógeno (H2), metano (CH4), etano (C2H6), etileno (C2H4) y acetileno (C2H2) que sirven para diagnosticar el estado interno del transformador. Debido al número reducido de datos recolectados, se presenta una desventaja para aplicar redes neuronales artificiales, máquina de soporte vectorial, entre otras que necesitan grandes cantidades de datos para cada variable, pero satisfactoriamente son resueltas usando bosques aleatorios, debido a que esta metodología clasifica mejor los datos de menor cantidad. El aprendizaje obtenido por el entrenamiento se valida con los estados obtenidos por los datos de prueba bajo la norma IEC 60599 e IEEE C57-104, que engloban a 4 diagnósticos como la descarga de alta energía, descarga de baja energía, estado normal y sobrecalentamiento, obteniendo como resultado un criterio de validación final corroborativo por el algoritmo al comparar el diagnóstico de resultados con el de bosques aleatorios.

Abstract: The following paper presents a machine learning tool for the interpretation of anomalies in power transformers using the random forest method. Using the results of gas chromatography tests on dielectric oil from several published papers, the data set delivered by the dissolved gas analysis (DGA) in quantities of parts per million (ppm), the amount of hydrocarbon gases such as hydrogen (H2), methane (CH4), ethane (C2H6), ethylene (C2H4) and acetylene (C2H2) that serve to diagnose the internal state of the transformer is used. Due to the reduced number of collected data, there is a disadvantage to apply artificial neural networks, support vector machine, among others that need large amounts of data for each variable, but satisfactorily they are solved using random forests, because this methodology classifies better the data of smaller amount. The learning obtained by training is validated with the states obtained by the test data under IEC 60599 and IEEE C57-104, which encompass 4 diagnostics such as high energy discharge, low energy discharge, normal state and overheating, resulting in a final corroborative validation criterion for the algorithm by comparing the diagnostic results with the random forests.

Evaluation of the Operation of the Differential Protection 87 in Single-Phase Transformers in the Presence of Faults, Through a Didactic Prototype

Resumen: En el presente trabajo se realizó la construcción de un prototipo didáctico que permite evaluar el funcionamiento de la protección diferencial 87, mediante la parametrización de variables, para lo cual se consideran varios parámetros, como la corriente mínima de operación, la corriente de arranque o la pendiente de operación, los cuales conjuntamente con los datos medidos, como la corriente el primario y secundario, que posibilitan determinar el valor correspondiente a la corriente diferencial, permitiendo emular la función de protección diferencial 87 y su variante porcentual. Para lograr lo anteriormente expuesto, se empleó sensores de corriente de Arduino, los cuales en conjunto con el microprocesador Nano, de la misma marca, permitirá la toma de datos, lo cuales tras su procesamiento, serán comunicados a LabVIEW donde se emplea una constante, la cual permite escalar los valores obtenidos para así, poder desarrollar la lógica de programación que permite el ingreso de parámetros, selección de TC’s, cálculo de la corriente diferencial y mínima de operación, así como también la identificación de las zonas de operación.

Abstract: In the present work, the construction of a didactic prototype was carried out that allows evaluating the operation of the differential protection 87, through the parameterization of variables, for which several parameters are considered, such as the minimum operating current, the starting current or the pending operation, which together with the measured data, such as the primary and secondary current, which make it possible to determine the value corresponding to the differential current, allowing emulation of the differential protection function 87 and its percentage variant. To achieve the above, Arduino current sensors were used, which together with the Nano microprocessor, of the same brand, will allow data collection, which after processing, will be communicated to LabVIEW where a constant is used, which allows scaling the values obtained in order to develop the programming logic that allows the entry of parameters, selection of CT's, calculation of the differential and minimum operating current, as well as the identification of the operating zones.

Numerical analysis by CFD for the forced boiling process with isobutane circulating through square tubes

Resumen: El propósito de esta investigación es analizar el desarrollo del fenómeno de ebullición de forma numérica, mediante el coeficiente de transferencia de calor para dos fases y la calidad del vapor con el refrigerante R600a, en el interior de un tubo cuadrado de acero de hasta 3 cm de lado, la simulación se realiza mediante un software de dinámica de fluidos computacional (Fluid ANSYS). Encontrar un aumento en la calidad del vapor para un flujo alto de calor y un espesor bajo. Finalmente, encuentra el máximo cambio de fase por ebullición para caudal de 400 kg/m²·s, calor de 20.000 W/m², con 88% de vapor para el punto central en condición de borde de salida.

Abstract: The purpose of this investigation is to compare the development of the boiling phenomenon in an analytical and numerical way, by means of the heat transfer coefficient for two phases and the steam quality with the R600a refrigerant, inside a square steel tube up to 3 cm side, the simulation is carried out using a software for computational fluid dynamics (fluid ANSYS). Finding an increase in steam quality for high calorie flow and low thickness. Finally, it finds the maximum phase change by boiling for flow of 400 kg/m²·s, heat of 20,000 W/m², with 88% steam for the central point in the exit edge condition.