Revista Técnica energía

Probabilistic assessment of transient stability considering the uncertainty of the demand and risk management

Resumen: El presente artículo propone una metodología para evaluar el impacto de la incertidumbre de la demanda eléctrica, sobre la estabilidad transitoria del sistema con base en el análisis probabilístico del tiempo crítico de despeje de falla CCT (Critical Clearing Time). El análisis probabilístico de estabilidad transitoria, permite establecer una función de densidad de probabilidad (PDF por sus siglas en inglés) del comportamiento del CCT. La PDF se calcula a partir de simulaciones de Montecarlo, donde, para cada escenario generado y contingencia, se evalúa el CCT. Para el cálculo del CCT se emplea el método de la bisección, variando el tiempo de duración de falla.

Abstract: This paper presents a methodological proposal to evaluate the impact of electrical demand uncertainty regarding power system transient stability, considering the probabilistic analysis of the Critical Clearing Time (CCT). A probabilistic analysis of transient stability allows establishing a probability density function (PDF) of the CCT behavior. This PDF is calculated by means of Monte Carlo simulations in which the CCT is evaluated for each generated scenario and contingency. The bisection method is applied for calculating the CCT. This method consists in iteratively modifying the fault duration time

Electromagnetic Transients Analysis in the Interconnected National System (S.N.I.) at 230 kV and 500 kV voltage level using the real-time digital simulator HYPERsim

Resumen: El presente trabajo utiliza el Simulador Digital en Tiempo Real HYPERsim para poder modelar los componentes del Sistema Nacional Interconectado (S.N.I.), en los niveles de voltaje de 230 kV y 500 kV, y realizar simulaciones en valores instantáneos para transitorios electromagnéticos (EMT) de maniobra. De esta forma, se analizan sobrevoltajes de frente lento originados por maniobras de energización de líneas de transmisión y transformadores. Para esto, se plantea una metodología que permite modelar los elementos del SNI en HYPERsim, sobre la base de un apropiado despliegue conceptual de los modelos de cada componente. El desarrollo del presente trabajo constituye un insumo fundamental para realizar estudios eléctricos en HYPERsim que permitan analizar el comportamiento de transitorios del SNI. Este aspecto es aún más significativo, considerando que el aplicativo HYPERsim no ha sido usado en el país de forma previa. De esta forma, se realizan simulaciones en tiempo real completamente digitales, lo cual permite exaltar las potencialidades del trabajo desarrollado, y permitirá a CENACE realizar estudios especializados futuros de sistemas de potencia, por ejemplo, calibración de relés, diseño de esquemas de protección, pruebas de controladores, etc.

Abstract: This paper uses the Real Time Digital Simulator HYPERsim with the aim of modeling the 230 kV and 500 kV components of the National Interconnected System (SNI) in order to perform digital simulations in instantaneous values for analyzing switching electromagnetic transients (EMT). Based on this modeling, overvoltages caused by energization of transmission lines and transformers are then analyzed. For this aim, a methodology for modeling the SNI components is sketched based on a previous conceptual deployment of each power system element model. The development of this work becomes a fundamental tool for performing further electrical studies in HYPERsim that allow analyzing the transient behavior of the SNI. This aspect is even more significant considering that HYPERsim has not been previously used in Ecuador. Thus, a fully real time digital simulation is performed, which allow enhancing the potential of the models developed in this technical study, which will allow CENACE to carry out specialized studies of power systems, for example, relay calibration, design of protection schemes, controller tests, etc.

Optimization of Storage Centers of Jatropha Curcas in Manabí Ecuador

Resumen: El presente trabajo tiene como objetivo proporcionar un modelo de optimización como criterio de selección para la aprobación de futuros centros de almacenamiento de Jatropha Curcas en áreas rurales de Manabí. Se llevó a cabo trabajo de campo para establecer y caracterizar la cadena de suministro local. Los datos se complementaron con un Sistema de Información Geográfica (SIG) para definir la función objetivo que determina el beneficio asociado a la producción de aceite de Jatropha. La cadena de suministro se optimizó maximizando los beneficios, se añadió un análisis de sensibilidad para encontrar un criterio de decisión que determine la aceptación de los futuros centros de almacenamiento. Existen centros de almacenamiento empíricamente implementados que, debido a los componentes sociales y económicos, no pueden ser eliminados o desplazados, bajo este contexto se estableció el punto de partida para la modelación matemática. La ubicación de los centros de almacenamiento y la cantidad de Jatropha recolectada son las variables estratégicas que determinan el criterio de decisión de cada zona, en cuanto más dispersos son los valores de recolección, más estrictos son los criterios de aceptación para evaluar los futuros centros de almacenamiento. Adicionalmente se identificó que el costo de transporte de la semilla de Jatropha se ve ligado a la principal actividad productiva de los agricultores, producción de maíz.

Abstract: The present work aims to provide an optimization model as a selection criterion for the approval of future storage centers of Jatropha Curcas in rural areas of Manabí. Fieldwork was carried out to establish and characterize the local supply chain. The data was complemented with a Geographic Information System (GIS) to define the objective function that determines the benefit associated with the production of Jatropha oil. The supply chain was optimized maximizing the benefits; a sensitivity analysis was added to find a decision criterion that determines the acceptance of future storage centers. Empirically implemented storage centers in existence cannot be eliminated or displaced due to social and economic implications, for this reason this centers were established as a baseline for the mathematical modeling. The location of the storage centers and the amount of Jatropha collected are strategic variables that determine the decision criteria of each zone. The results show that when the collection values were more dispersed, the acceptance criteria to evaluate the future centers of storage were stricter. Additionally, it was identified that transportation cost of the Jatropha seed is linked to the main productive activity of the farmers, which is corn production.

Estimation of the Synchronous Machine Electrical Parameters based on Laboratory Measurements using Nonlinear Optimization Methods

Resumen: Este artículo presenta los resultados de la implementación de una metodología para la estimación de los parámetros eléctricos de un generador sincrónico basada en mediciones de laboratorio y utilizando métodos de optimización no lineal, con la finalidad de mejorar la representación de la máquina sincrónica que podría ser utilizada en estudios de sistemas eléctricos de potencia. Para ello se realizaron pruebas bajo la Norma IEEE 115 en el Laboratorio de Máquinas Eléctricas de la Escuela Politécnica Nacional. Estos parámetros obtenidos constituyen el punto de partida para la herramienta de estimación de parámetros que ayudará a sintonizar la respuesta de la máquina. Luego, se aplica una perturbación eléctrica a la máquina para obtener una respuesta experimental en forma de oscilograma. La perturbación se replica en MATLAB-Simulink para obtener la respuesta simulada de la máquina en la forma de un oscilograma. La etapa final utiliza como recurso la herramienta de identificación de parámetros de MATLAB-Simulink para sintonizar los parámetros eléctricos al modelo de la máquina sincrónica. Con la aplicación de esta metodología se encuentra que la respuesta simulada del generador sincrónico mejora y reproduce adecuadamente los valores medidos.

Abstract: This technical article implements a methodology for estimating synchronous generator electrical parameters based on laboratory measurements using nonlinear optimization methods towards improving the representation of synchronous machines for power system studies. The proposed work is achieved by using the IEEE Standard 115 to obtain the parameters of a synchronous generator at the Laboratory of Electric Machines of the National Polytechnic School. These obtained parameters will constitute the starting point for the parameter estimation tool to aid fine tune the response of the synchronous machine. Next, a disturbance is applied to the machine, to obtain an experimental response in the form of an oscillography. This disturbance is replicated on MATLAB-Simulink, to obtain the simulated response for the machine in the form of an oscillography as well. The final stage uses as a resource the MATLAB-Simulink parameter estimation tool to tune the electrical parameters of the synchronous machine model. By applying this methodology, it is shown that the simulated response of the synchronous machine is improved and resembles adequately to the measured values.

Short Term Demand Forecasting methodology for Power Decision Making Based on Markov Chain. Study Case - EEQ

Resumen: La investigación del presente trabajo está centrada en determinar el pronóstico de la demanda de potencia eléctrica en corto plazo. Para ello, se utilizó y se comparó los “perfiles de demanda” y la señal en tiempo real de la demanda eléctrica de la Empresa Eléctrica Quito S.A, EEQ, para llegar a determinar el perfil más esperado en el día. En este sentido, se utilizó el Modelo Oculto de Markov (Hidden Markov Model, HMM) para el pronóstico de la demanda en horizonte de tiempo de corto plazo. Para esto, primeramente se realizó un proceso de aprendizaje/entrenamiento al modelo con la base de datos Sistema de Información Validada Operativa, SIVO. Posteriormente, se realizó el proceso de descubrimiento de perfiles de demanda, que permitirá en pasos posteriores encontrar el perfil más esperado a ocurrir durante el día. La propuesta establece un “área de demanda esperada” que se convierte en una referencia que define el comportamiento de la demanda lo largo del día. Se realizó una evaluación en un periodo de 30 días de la metodología aplicada al sistema de la EEQ, y se observó que la herramienta acierta en un 86% de los casos y el valor de demanda en tiempo real se encuentra dentro de la banda de demanda esperada. El propósito de este trabajo es brindar una aplicación a los operadores del Sistema Nacional Interconectado, SNI, del Operador Nacional, CENACE, que permita tomar decisiones en el periodo de corto plazo optimizando los recursos de generadores existentes.

Abstract: This investigation is focused on the prediction of the electrical demand in short time. For this purpose, the “demand profiles” and the real time signal of the electrical demand of the Empresa Eléctrica Quito S.A. are used in order to determine which profile is expected to happen during the day. In this sense, this study uses the Hidden Markov Model for forecasting the electrical demand in short time. This approach first applies a learning/training process using data from the Sistema de Información Validada Operativa (SIVO). Later, a discovery process of demand profiles is performed in order to determine the most expected profile to happen during the day. This approach establishes an “expected demand area” that shall be a reference for the definitive behavior of the electrical demand. This methodology was applied over the EEQ system and evaluated during 30 days. The final tool successes 86% of the cases and the actual value of the electrical demand in real time is inside of the band of the expected demand area.The purpose of this work is to build an application that assist operators of the National Interconnected System, NIS, to make the decisions in short time, optimizing the resources for generation.

Self-Generation Prospective in Ecuador using the LEAP Model

Resumen: Las proyecciones de crecimiento poblacional y económico en el Ecuador indican que la demanda de energía eléctrica mantendrá una tendencia creciente. Uno de los esquemas orientados a contribuir con la cobertura futura de la demanda energética es la autogeneración eléctrica, en la que los usuarios producen electricidad para satisfacer necesidades propias mediante generadores instalados en el propio punto de consumo. En este trabajo se presenta una metodología para proyectar el potencial de autogeneración con paneles fotovoltaicos instalados en las edificaciones del país. El espacio máximo disponible para la instalación de paneles es estimado tomando secciones del área propiamente construida de los sectores residencial, industrial, comercial, mixto y otros. La penetración de la autogeneración fotovoltaica es estimada entre los años 2013 y 2050, calculando la evolución de la demanda energética durante este período mediante el uso del software de planeación energética LEAP. Los resultados obtenidos son comparados con los de un escenario sin autogeneración. De acuerdo a los resultados obtenidos para el año 2050, alrededor de un 17% de la capacidad instalada estaría representada por sistemas de autogeneración fotovoltaica, cubriendo alrededor de 5,7% de la demanda de energía eléctrica total.

Abstract: Economic and population growth forecasts In Ecuador show that the demand of electric energy will keep a rising trend. One of the schemes intended to contribute with the coverage of future energy demand is electric self-generation, where users produce electricity to satisfy their own requirements through generators installed in the consumption point. This work presents a methodology to forecast the potential of self-generation with photovoltaic panels installed in the buildings of the country. The maximum available space for panel installation is estimated by taking sections of the properly build area of the residential, industrial, commercial, mixed and others sectors. Penetration of photovoltaic selfgeneration between 2013 and 2050 is predicted, calculating the evolution of the energy demand in this period with the use of the energy planning software LEAP. The obtained results are compared with those from a no self-generation scenario. According to the obtained results for 2050, around a 17% of the installed capacity would be represented by photovoltaic self-generation systems, producing around 5.7% of the total electric energy.

Modelling of performance of 2 MW wind turbines in Ecuador: Electric-wind potential

Resumen: Actualmente, los estudios sobre la energía que es aprovechada a partir del viento, han permitido impulsar proyectos de parques eólicos con infraestructuras complejas, con el fin de generar energía eléctrica en busca del desarrollo económico de los países. Estos estudios toman en cuenta diversos factores que influyen en el comportamiento del viento, como la orografía, rugosidad y perfil del viento. En este estudio se presenta un nuevo método para estimar la generación anual de aerogeneradores en el Ecuador, denominado “Potencial Eoloeléctrico”. El método incluye la selección de la potencia del aerogenerador a instalar, los datos de velocidad de viento y de la densidad del aire, la misma que depende de variables como la presión atmosférica y la temperatura [1]. Para la determinación del Potencial Eolo-eléctrico, se consideró un aerogenerador promedio de 2 (MW), con su curva de potencia a una densidad de aire de 1.225 (kg/m3 ) ajustada a una función continua sigmoidal. Además, en este comportamiento se incluye una aproximación de la curva de potencia para bajas densidades del aire, considerando el funcionamiento del Parque Eólico Villonaco. Como resultado se obtuvieron los mapas de presión atmosférica y densidad del aire; y se estimó la potencia media de los aerogeneradores en base a las velocidades del viento media anual a 80 metros de altura del Atlas Eólico del Ecuador (MEER 2013).

Abstract: Currently, the basic studies about convert energy from the wind resources allow developing and promoting wind farms including complex infrastructures, with the aim to generate electricity seeking to advance in country economies. These studies considerer a multiple factors that are influence by the wind behavior, such as the orography, roughness and wind profile. In this work is showed a new method to estimate the annual production of wind turbines in Ecuador called “Potencial Eolo-eléctrico”. This method includes the power selection of the wind turbine to be installed, wind speed data and the air density, where the last variable depends of atmospheric pressure and temperature [1]. For determining the “Potencial Eolo-electrico”, it has been considered a standard wind turbine of 2 (MW), with its power curve to 1.225 (kg/m3 ) of air density close fitting to a sigmoidal continuous function. Moreover, in this behavior is included a power curve approximation under low air densities, considering the Villonaco Wind Farm performance. As a result of this investigation was obtained atmospheric pressure maps and air density, additionally was estimated the average power values of the wind turbines, according to the annual mean wind speed to 80 meters high of the Wind Atlas of Ecuador (MEER 2013).

Optimization of the Electric Consumption of Lighting Systems in Interior Spaces of the Technical University of Ambato

Resumen: En este artículo se presenta un estudio de optimización del consumo eléctrico del sistema de iluminación en espacios interiores de la sala de investigación del edificio principal de la Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial de la Universidad Técnica de Ambato. El estudio de optimización del consumo eléctrico se basa en el análisis comparativo del diseño y simulación de dos diferentes sistemas de iluminación: el actualmente existente, conformado por luminarias fluorescentes, y el propuesto a instalar, conformado por luminarias LED. El diseño de los sistemas de iluminación evaluados debe cumplir la normativa de iluminación en espacios interiores UNE-EN 12464-1, garantizando los niveles mínimos de iluminancia. Para el diseño y simulación de los sistemas de iluminación, anteriormente mencionados, se empleó el software DIALux, que permite simular los sistemas de iluminación y verificar que se cumplan las especificaciones y recomendaciones, establecidos en la normativa vigente. Finalmente, se presenta un análisis comparativo del consumo eléctrico y del coste económico de los sistemas de iluminación evaluados, escalados al sistema de iluminación de la Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial, FISEI, de la Universidad Técnica de Ambato, UTA.

Abstract: In this article a study of optimization of the electrical consumption of the system of illumination in interior spaces of the room of investigation of the main building of the Faculty of Engineering in Systems, Electronics and Industrial of the Technical University of Ambato is presented. The study of optimization of electrical consumption is based on the comparative analysis of the design and simulation of two different lighting systems: the currently existing one, made up of fluorescent luminaires, and the one proposed to be installed, made up of LED luminaires. The design of the evaluated lighting systems must comply with the indoor lighting regulations UNE-EN 12464-1, guaranteeing the minimum levels of illuminance. For the design and simulation of the aforementioned lighting systems, the DIALux software was used, which allows to simulate the lighting systems and verify that the specifications and recommendations established in current regulations are met. Finally, is presented a comparative analysis of the electricity consumption and the economic cost of the lighting systems evaluated, scaled to the lighting system of the Faculty of Systems, Electronics and Industrial Engineering, FISEI, of the Technical University of Ambato, UTA.

Cloud Monitoring Platform for the Operation of a Photovoltaic Solar charging station for electric vehicles

Resumen: El Estado ecuatoriano está interesado en promover la integración de energías renovables en el sector transporte, con especial atención a las islas Galápagos. En este contexto, el presente artículo describe el diseño e implementación de una plataforma informática cloud de monitoreo del comportamiento de una estación de recarga de vehículos eléctricos, alimentada desde un sistema solar fotovoltaico aislado, actualmente en funcionamiento en el campus Huachi de la Universidad Técnica de Ambato. En el presente estudio se realiza una breve descripción del diseño, dimensionado, instalación y puesta en marcha de la electrolinera solar fotovoltaica instalada en la ciudad de Ambato. El monitoreo remoto de la electrolinera está integrado en una plataforma cloud que garantiza realizar el seguimiento del óptimo funcionamiento de instalaciones solares en diferentes zonas geográficas del país. En este sentido, la electrolinera solar fotovoltaica representa un prototipo replicable y escalable en zonas aisladas, en especial en las islas Galápagos. La plataforma cloud de monitoreo remoto permite analizar el comportamiento de los diferentes elementos de la instalación solar: paneles, reguladores, baterías e inversores. La presentación de los datos adquiridos de forma visual permitirá al personal a cargo de la instalación registrar el correcto comportamiento de la electrolinera y estar alerta ante fallos inesperados, garantizando el normal funcionamiento de la electrolinera.

Abstract: The Ecuadorian government is interested in promoting the integration of renewable energies in the transport sector with special attention to the Galapagos Islands. In this context, this paper describes the design and implementation of a computer cloud platform loud of monitoring of the behavior of a charging station for electric vehicles, powered from an isolated photovoltaic solar system currently operating at the Huachi campus of the Technical University of Ambato. In the present study a brief description of the design, dimensioning, installation and commissioning of photovoltaic solar charging station for electric vehicle installed at the city of Ambato is presented. Remote monitoring of the integrated electric station into a cloud platform ensures optimal track the performance of solar installations in different geographical areas of the country. In this sense the photovoltaic solar charging station for electric vehicles represents a replicable and scalable prototype in isolated areas, is special in the Galapagos Islands. The remote monitoring cloud platform allows analyzing the behavior of the different elements of the solar installation: panels, regulators, batteries and inverters. The presentation of the acquired data visually allows the load recorder of the installation the correct behavior of the electric station and be alert to unexpected failures, guaranteeing the normal operation of the electric station.

Determination of safety limits of static angle stability in SNI from synchrophasorial measurements

Resumen: Los sistemas electicos de potencia están conformados por distintos elementos que presentan comportamientos dinámicos particulares, es por ello que cada sistema eléctrico requiere de estudios y evaluaciones propias que permitan conocer su dinámica operativa y establecer índices o límites de seguridad con el fin prevenir colapsos totales o parciales. Este documento presenta una Metodología para Identificar límites seguros de diferencia angular en un sistema eléctrico de potencia conocidos también como límites de estabilidad estática de ángulo. Para la elaboración de este trabajo se resalta el uso de herramientas tecnológicas modernas de monitoreo y análisis de sistemas de potencia, como el Sistema de Monitoreo de Área extendida (WAMS) implementado en el CENACE, y adicionalmente, se emplea la técnica de análisis de datos de la ley de logaritmo iterado para identificar límites de banda de operación normal de las diferencias angulares entre las barras de 230 kV del Sistema Nacional Interconectado de Ecuador, tomando como referencia a la a la barra de 500 kV de la subestación Coca Codo Sinclair. La identificación de estos límites permitirá alertar al operador del sistema posibles problemas de estabilidad estática de ángulo y con ello crear una conciencia operativa a fin de establecer medidas de protección y control para incrementar los niveles de seguridad y confiabilidad en el suministro de energía eléctrica.

Abstract: The power electric systems are made up of different elements that show particular dynamic behaviors, that is why each electrical system requires studies and own evaluations that allow to know its operational dynamics and to establish security indexes or limits in order to prevent total or partial collapses. This document presents a methodology to identify safe limits of angular difference in electric power system also known as static angle stability limits. For the elaboration of this work, the use of modern technological tools for monitoring and analysis of power systems is highlighted, such as the Extended Area Monitoring System (WAMS) implemented in the CENACE, and additionally, the data analysis technique is used of the iterated logarithm law to identify the normal operating band limits of the angular differences between the 230 kV bars of the National Interconnected System of Ecuador, taking as reference the 500 kV bus from the Coca Codo Sinclair substation. The identification of these limits will alert the system operator to possible problems of static angle stability and thus create an operational awareness in order to establish protection and control measures to increase the levels of security and reliability in the supply of electricity.

Analysis of the implementation of a Strategy for Energy Consumption Reduction in the Residential Sector of Ecuador: Impact Evaluation in the Energy Matrix

Resumen: En el presente artículo se realiza una evaluación del impacto en la matriz energética de la implementación de una estrategia de Reducción del consumo energético en el sector residencial del Ecuador. La propuesta de Reducción del consumo energético residencial considera la electrificación de los sistemas de cocción y calentamiento de agua en las viviendas, por medio de sistemas de alta eficiencia en sustitución de los cilindros de GLP. Asimismo, se evalúa la reducción del consumo energético en las viviendas debido a la integración de criterios bioclimáticos en la construcción de viviendas y edificios, así como, a la sustitución de equipos eléctricos ineficientes de refrigeración e iluminación con ayuda del software de Simulación y Análisis de la Matriz Energética, SAME. En el escenario de sustitución del GLP revela que implicaría un incremento del consumo eléctrico doméstico lo que exigiría la construcción de nuevas centrales eléctricas para cubrir el incremento de demanda esperada. La implementación de estrategias de eficiencia energética, basada en la integración de equipos eficientes de refrigeración e iluminación, así como la integración de sistemas solares térmicos, permitiría reducir sustancialmente la construcción de nuevas centrales hidroeléctricas, evitando la importación de electricidad de países vecinos y el impacto medioambiental de las represas hidroeléctricas.

Abstract: In this article an evaluation of the impact on the energy matrix of the implementation of a strategy to optimize energy consumption in the residential sector of Ecuador was made. The proposal for the optimization of residential energy consumption considers the electrification of cooking and water heating systems in homes, by means of high efficiency systems replacing LPG cylinders. Likewise, the reduction of energy consumption in homes is evaluated due to the integration of bioclimatic criteria in the construction of houses and buildings, as well as the replacement of inefficient electric refrigeration and lighting equipment with the help of the Simulation and Analysis software. the Energy Matrix, SAME. In the LPG replacement scenario, which implies the consumption of electricity for the home that requires the construction of new power plants to cover the expected increase in demand. The implementation of energy efficiency strategies, efficient generation of refrigeration and lighting, as well as the integration of solar thermal systems, would allow the construction of new hydroelectric plants, avoiding the importation of electricity from neighboring countries and the environmental impact of hydroelectric dams.