TecnoLógicas

Implementing IEC 61850-7-420 DER Logical Nodes in a Single Board Computer

Resumen En este artículo se presenta la implementación de una variedad de nodos lógicos (NLs) de sistemas de generación basados en recursos energéticos distribuidos (DER), en una placa electrónica (o SBC) que permite la adquisición y empaquetamiento de señales analógicas de un arreglo fotovoltaico con baterías, con base en el estándar IEC 61850-7-420. Para esto, se usa una placa electrónica SBC (Single Board Computer) integrada con una tarjeta de conversión análogo digital (ADC) que permite la lectura de los valores analógicos del sistema. La SBC se comunica con la tarjeta ADC para empaquetar los datos leídos dentro de los objetos de datos propios del estándar IEC 61850, usando el nodo lógico (NL) respectivo. Se usó una librería con licencia abierta para la creación del servidor IEC 61850 en la placa electrónica, y el driver del fabricante de la tarjeta ADC para comunicar las dos tarjetas efectivamente. Lo que se busca con este trabajo es el desarrollo de nodos lógicos (NLs) para recursos energéticos distribuidos (DER), de tal forma que los fabricantes de tecnologías de generación basadas en fuentes renovables, como la solar y/o la eólica, incorporen los equipos electrónicos inteligentes (IED) y los controladores de acuerdo con la extensión del estándar para estos nodos lógicos. Se presentan las pruebas de comunicación de la implementación realizada y los resultados obtenidos.

Abstract This article discusses the implementation of a variety of logical nodes (LNs) of power generation systems based on distributed energy resources (DER) in a single board computer (SBC). The SBC allows for the acquisition and encapsulation of analog signals from a photovoltaic (PV) array with batteries, based on the IEC 61850-7-420 standard. To achieve this, an SBC integrated with an analog-digital conversion card (ADC) enables to read the systems analog values. The SBC communicates with the ADC card to encapsulate the collected data in the IEC 61850 data object by using the corresponding logical node (LN). An open license library was used to create the IEC 61850 server inside the SBC and the driver of the ADC card manufacturer to communicate both cards. This work aims to develop LNs for DERs in such way that manufacturers of power generation technologies based on renewable sources (such as the sun and/or the wind) implement Intelligent Electronic Devices (IED) and controllers in accordance with the scope of the standard for these logical nodes (LNs). Finally, the communication testing of the implementation and the results obtained are presented.

Optimal Power Flow for radial and mesh grids using semidefinite programming

Resumen Este artículo presenta una formulación convexa para el problema de flujo de potencia óptimo (Optimal Power Flow-OPF) en sistemas de potencia radiales y enmallados, a través de un modelo matemático basado en programación semidefinida (Semidefinite Programming-SDP), el cual trasforma el modelo cuadrático no convexo del OPF en un modelo convexo relajado, que puede ser solucionado de forma mucho más eficiente. El modelo es implementado en MATLAB usando el paquete de optimización convexa CVX. Los resultados obtenidos son comparados con el modelo no lineal del problema implementado en GAMS y MATPOWER usando cuatro sistemas típicos de la literatura especializada, dos de tipo radial y dos enmallado. Las soluciones encontradas por esta aproximación convexa, son muy cercanas a las respuestas presentadas en la literatura especializada para el modelo no lineal. Este tipo de aproximación permite obtener soluciones de muy buena calidad, muy cercanas a la solución óptima del problema en tiempos computacionales menores y susceptibles de aplicarse en problemas de operación y control en tiempo real.

Abstract This paper presents a convex formulation for optimal power flow (OPF) in both radial and meshed grids. A semidefinite programming (SDP) approximation transforms the quadratic non-convex model into a relaxed convex quadratic model, which can be more efficiently solved. This model is implemented in MATLAB using the CVX package for convex optimization. The results obtained are compared to the non-linear model of the problem implemented in GAMS and MATPOWER by using four typical systems in specialized literature (two radial and two meshed). SDP approximation demonstrated to provide accurate solutions that are close to an optimal solution of the problem in shorter computational times. Such solutions are applicable to real-time operation and control problems.

A first-principles study of the piezoelectric properties of Niobium and Tantalum Pentoxides

Resumen Nb2O5 y Ta2O5 son óxidos semiconductores de brecha ancha, los cuales en los últimos años han despertado gran interés debido a sus múltiples aplicaciones tecnológicas, ya sea en electrónica, telecomunicaciones o fotocatálisis. Por estas razones, en este trabajo presentamos un estudio a partir de cálculos de primeros principios de las propiedades piezoeléctricas de las fases Z y β de Ta2O5, y de las fases Z y P de Nb2O5 utilizado la teoría de los funcionales de la densidad y la aproximación del gradiente, generalizado con la parametrización PBEsol. Una vez determinada la geometría de equilibrio para cada una de estas fases, realizamos un cálculo utilizando respuesta lineal para determinar el tensor piezoeléctrico asociado a cada una de estas fases, encontrando que la fase Z para ambos compuestos presenta una buena respuesta piezoeléctrica. Adicionalmente, encontramos que la fase β-Ta2O5 no presenta respuesta piezoeléctrica.

Abstract Nb2O5 and Ta2O5 are wide-bandgap semiconductor oxides that have attracted great interest in recent years due to their technological applications, such as in electronics, telecommunications or photocatalysis. Because of this, we present a study based on first-principles calculations of the piezoelectric properties of the Z and β phases of Ta2O5 as well as the Z and P phases of Nb2O5 by using the Density Functional Theory and the Generalized Gradient Approximation with PBEsol parameterization. Once the equilibrium geometry was determined for each of these phases, we made a calculation using the linear response theory to determine the piezoelectric tensor associated with each phase. We discovered that the Z phase of both compounds presents good piezoelectric response. Additionally, β-Ta2O5 does not show such response.

Thermal isolation of steel pipelines employed in the transportation of hot fluids from thermal sprayed coatings

Resumen Se depositaron recubrimientos cerámicos, a partir de polvos comerciales de Al2O3, Al2O3-TiO2, y Al2O3-ZrO2 sobre la superficie exterior de tuberías de acero al carbono ASTM A106 Grado B con y sin capa base de una aleación de níquel, con el fin de reducir las pérdidas de calor contenido en fluidos calientes que son transportados a través de este tipo de ductos. Tanto la capa base como los recubrimientos cerámicos fueron depositados mediante proyección térmica oxiacetilénica y posteriormente se evaluó la transferencia de calor en estado transitorio, para lo cual se introdujo en las tuberías aceite de silicona calentado a 160ºC. La variación de temperatura con el tiempo del aceite de silicona y de la pared externa de cada tubo fue medida, encontrando que además de la baja conductividad térmica de los materiales cerámicos, un mayor espesor y una mayor porosidad del recubrimiento brindan medios efectivos de aislamiento térmico, y que la capa base actúa como una resistencia térmica que consume calor y contribuye a la disminución de la temperatura superficial de la tubería.

Abstract Ceramic coatings of Al2O3, Al2O3-TiO2, and Al2O3-ZrO2 commercial powders were thermally sprayed on the external surface of ASTM A106 Grade-B carbon steel pipelines (with and without a bond coat of a commercial nickel alloy) to reduce the loss of heat contained in hot fluids that are transported through this kind of ducts. The bond coat, as well as the ceramic coatings, were deposited by means of oxy-acetylene thermal spray; afterwards, the heat transfer in transitory state was evaluated by placing heated silicone oil at 160°C inside the pipelines. The temperature variation over time of the silicone oil and the external wall of each pipeline was measured. Besides the low thermal conductivity of the ceramic materials, a thicker and more porous coating provides a more effective means for thermal isolation. Additionally, the bond coat acts as a thermal resistance, which consumes heat and contributes to the reduction of the superficial temperature of the pipeline.

Influence of the bed height on the dynamic behavior of a fixed-bed column during mercury biosorption

Resumen Se determinó el impacto de la altura del lecho en la remoción de Hg (II), presente en solución sobre biomasa residual de cáscara de cacao en sistema continuo de lecho fijo, evaluando el rendimiento de la densidad de empaque. El trabajo experimental estuvo fundamentado en: preparación de la biomasa, diseño y montaje de la unidad de adsorción y modelado matemático, considerando como variables intervinientes en el proceso la concentración inicial del metal, pH, velocidad de flujo y tamaño de partícula y como variable independiente incidente la densidad de empaque mg biomasa/volumen del lecho, traducido en altura en cm de empaque. Los análisis FTIR de la cáscara muestran la presencia de grupos funcionales que favorecen la adsorción de iones metálicos. La concentración de Hg (II) se midió por espectroscopia UV/vis; se obtuvo una capacidad máxima de adsorción fue de 99.62 % para el lecho de 10g (7.5 cm). Además, el modelo de Thomas fue el que mejor ajustó los datos experimentales. A partir de estos resultados, se concluye que la cáscara de cacao tiene potencial para ser utilizado como bioadsorbente de Hg (II) en solución y que el aumento de la altura del lecho en el sistema continuo favoreció la remoción del contaminante.

Abstract This study evaluated the packing density of residual biomass of cocoa bean husk as adsorbent of Hg (II) dissolved in an aqueous solution inside a continuous fixed-bed system. The effects of the height of the bed on the removal of the pollutant were evaluated. This experimental work was based on biomass preparation, adsorber design and assembly, and mathematical modelling. The variables considered in the process were initial concentration of the metal, pH, flow rate and particle size. The incident-independent variable was the packing density (mg biomass/bed volume), which translated into the height (cm) of the packing. The FTIR analyses of the husk revealed the presence of functional groups in the spectrum that favour the adsorption of the metal. The residual concentration of the solution was measured by UV/Vis spectroscopy; the maximum adsorption capacity was 99.62%, by the 10g (7.5 cm) bed. In addition, the Thomas model was the best-fitting for the experimental data. On the basis of these results, we concluded that cocoa bean husk has potential to be used as bioadsorbent of Hg (II) from aqueous solutions and that the increase in bed height in the continuous system favours the removal of the pollutant.

Detecting atypical functioning of emotional processing in Colombian ex-combatants

Abstract The reincorporation process of Colombian ex-combatants is hindered by their chronic exposure to violence, which affects their Emotional Processing (EP). Characterizing their EP will contribute to their reinsertion. The objective of this work is to define an EEG-based brain connectivity approach to identify differences in EP between Colombian ex-combatants and individuals who were not directly exposed to the armed conflict. The proposed approach involves defining the Regions of Interest (ROI) and selecting one of five commonly used brain connectivity metrics: Correlation, Cross-Correlation, Coherence, Imaginary part of Coherency, and Phase-Lag Index. Significant differences were found in the positive valence stimuli in the Beta frequency band. These results support the previously reported trend in the literature regarding the difficulties ex-combatants have to process emotional information with positive valence.

Resumen El proceso de reincorporación social de los excombatientes colombianos, se dificulta debido a que la exposición crónica a la violencia afecta su procesamiento emocional (PE). Este proceso de reincorporación se puede facilitar mediante la caracterización de su PE. El objetivo de este artículo es definir una metodología de conectividad con EEG que permita identificar diferencias entre el EP de excombatientes y personas no directamente expuestas al conflicto armado. La metodología propuesta consiste en definir las Regiones de Interés (ROI) y seleccionar una de cinco métricas de conectividad funcional cerebral comúnmente utilizadas: correlación, correlación cruzada, coherencia, parte imaginaria de la coherencia y el índice de desfase. Se encontraron diferencias significativas en los estímulos con valencia positiva en la banda de frecuencias Beta. Estos resultados apoyan la tendencia previamente reportada en la literatura hacia las dificultades de los excombatientes para procesar información emocional con valencia positiva.

Feature extraction based on time-singularity multifractal spectrum distribution in intracardiac atrial fibrillation signals

Abstract Non-linear analysis of electrograms (EGM) has been proposed as a tool to detect critical conduction sites (e.g., rotors vortex, multiple wavefronts) in atrial fibrillation (AF). Likewise, studies have shown that multifractal analysis is useful to detect critical activity in EGM signals. However, the multifractal spectrum does not consider the temporal information. There is a new mathematical formalism to overcome this limitation: the time-singularity multifractal spectrum distribution (TS-MFSD), which involves the time variation of the spectrum. In this manuscript, we describe the methodology to compute the TS-MFSD from EGM signals. Moreover, we propose a methodology to extract features from time-singularity spectrum and from singularity energy spectrum (SES). We tested the features in an EGM database labeled by experts as: non-fragmented, discrete fragmented potentials, disorganized activity, and continuous activity. We tested the area under the receiver operating characteristic (ROC) curve. The proposed features achieve an area under the ROC curve of 95.17% when detecting signals with continuous activity. These results outperform those reported using multifractal analysis. To our knowledge, this is the first work that report the use of TS-MFSD in biomedical signals and our findings suggest that time-singularity has the potential to be used in the study of non-stationary behavior of EGM signals in AF.

Resumen El análisis de la dinámica no lineal de señales de Electrogramas Intracardiacos (EGM) ha sido propuesto como una herramienta para detectar sitios críticos de conducción eléctrica (ejm: rotores o múltiples frentes de onda) en fibrilación auricular (AF). Estudios previos han mostrado que el análisis multifractal puede ser de utilidad para detectar actividad crítica en la señal EGM. A pesar de esto, el análisis multifractal no considera la información temporal de la señal. Existe un nuevo formalismo matemático para superar esta limitación, el cual es llamado Distribución Tiempo-Singularidad del Espectro Multifractal (TS-MFSD), que involucra la variación en el tiempo del espectro. Este artículo describe una nueva metodología para calcular características a partir del TS-MFSD en señales EGM. Nosotros evaluamos los métodos descritos en una base de datos de EGM etiquetada por expertos en cuatro clases: no fragmentada, potenciales fragmentados discretos, actividad desorganizada y actividad continua. Para evaluar el rendimiento se calculó el área bajo la curva ROC. El mejor resultado de las características propuestas alcanzó un área bajo la curva ROC de 95.17% en la detección de señales con actividad continua. Este resultado supera los reportados mediante la utilización del análisis multifractal. Hasta donde sabemos, este es el primer trabajo que reporta la utilización de la TS-MFSD en señales biomédicas, y nuestros resultados sugieren que el análisis Tiempo-Singularidad tiene el potencial para estudiar el comportamiento no estacionario de las señales EGM en AF.

CO, Pb ++ and SO2 effects on L-type calcium channel and action potential in human atrial myocytes. In silico study

Abstract Exposure to air pollutants like carbon monoxide (CO), lead (Pb++) and sulfur dioxide (SO2) promotes the occurrence of cardiovascular diseases. Experimental studies have shown that CO, Pb++ and SO2 block L-type calcium channels, reducing the calcium current (ICaL) and the action potential duration (APD), which favors the initiation of atrial arrhythmias. The goal is to study the effects of CO, Pb++ and SO2 at different concentrations on ICaL and action potential using computational simulation. For this purpose, models of the effects of the air pollutants on the atrial L-type calcium channel were developed and were incorporated into a mathematical model of a human atrial cell. The results suggest that CO, Pb++ and SO2 block the ICaL current in a fraction that increases along with the concentration, generating an APD shortening. These results are consistent with experimental studies. The combined effect of the three air pollutants produced an APD shortening, which is considered to be a pro-arrhythmic effect.

Resumen La exposición a contaminantes atmosféricos, como el monóxido de carbono (CO), plomo (Pb++) y dióxido de azufre (SO2), promueve la aparición de enfermedades cardiovasculares. Estudios experimentales han demostrado que el CO, el Pb++ y el SO2 bloquean los canales de calcio tipo L, disminuyendo la corriente de calcio (ICaL) y la duración del potencial de acción (APD), favoreciendo el inicio de arritmias auriculares. El objetivo es estudiar los efectos del CO, Pb++ y SO2 a diferentes concentraciones, sobre ICaL y el potencial de acción auricular mediante simulación computacional. Para ello, se desarrollaron modelos matemáticos de los efectos de los contaminantes atmosféricos sobre el canal de calcio auricular tipo L y se incorporaron en un modelo matemático de células auriculares humanas. Los resultados sugieren que el CO, el Pb++ y el SO2, bloquean la corriente ICaL en una fracción que aumenta a medida que aumenta, la concentración, generando un acortamiento del APD. Estos resultados son consistentes con estudios experimentales. El efecto combinado de los tres contaminantes atmosféricos generó un acortamiento del APD, lo cual es considerado un efecto pro-arrítmico.

Neurosurgery and brain shift: review of the state of the art and main contributions of robotics

Abstract This paper presents a review about neurosurgery, robotic assistants in this type of procedure, and the approach to the problem of brain tissue displacement, including techniques for obtaining medical images. It is especially focused on the phenomenon of brain displacement, commonly known as brain shift, which causes a loss of reference between the preoperative images and the volumes to be treated during image-guided surgery. Hypothetically, with brain shift prediction and correction for the neuronavigation system, minimal invasion trajectories could be planned and shortened. This would reduce damage to functional tissues and possibly lower the morbidity and mortality in delicate and demanding medical procedures such as the removal of a brain tumor. This paper also mentions other issues associated with neurosurgery and shows the way robotized systems have helped solve these problems. Finally, it highlights the future perspectives of neurosurgery, a branch of medicine that seeks to treat the ailments of the main organ of the human body from the perspective of many disciplines.

Resumen Este artículo presenta una revisión acerca de la neurocirugía, los asistentes robóticos en este tipo de procedimiento, y el tratamiento que se le da al problema del desplazamiento que sufre el tejido cerebral, incluyendo las técnicas para la obtención de imágenes médicas. Se abarca de manera especial el fenómeno del desplazamiento cerebral, comúnmente conocido como brain shift, el cual causa pérdida de referencia entre las imágenes preoperatorias y los volúmenes a tratar durante la cirugía guiada por imágenes médicas. Hipotéticamente, con la predicción y corrección del brain shift sobre el sistema de neuronavegación, se podrían planear y seguir trayectorias de mínima invasión, lo que conllevaría a minimizar el daño a los tejidos funcionales y posiblemente a reducir la morbilidad y mortalidad en estos delicados y exigentes procedimientos médicos, como por ejemplo, en la extirpación de un tumor cerebral. Se mencionan también otros inconvenientes asociados a la neurocirugía y se muestra cómo los sistemas robotizados han ayudado a solventar esta problemática. Finalmente se ponen en relieve las perspectivas futuras de esta rama de la medicina, la cual desde muchas disciplinas busca tratar las dolencias del principal órgano del ser humano.

The roles of Nanotechnology and Internet of Nano things in healthcare transformation

Abstract Healthcare, as a basic human right, did not remain immune to innovative technologies. Technological progress has significantly contributed to high-quality, on-time, acceptable and affordable healthcare. Since their appearance, nanotechnology and the Internet of Nano Things (IoNT) have continuously affected healthcare and have a tremendous influence on its transformation, contributing to the better outcome. The inclusion of nanotechnology in medicine through nanomaterials and nanodevices, known as nanomedicine, has brought numerous benefits in disease prevention, diagnosis, and treatment. Going further by connecting nanodevices to the Internet, the IoNT paradigm has been created. The inclusion of IoNT concepts in healthcare has resulted in more personalized, timely, and convenient health monitoring and treatment. Hence, nanotechnology and the IoNT hold the potential to completely revolutionize healthcare in the 21st Century, creating a system that will enable early disease detection and diagnosis followed by accurate, on-time and effective treatment with significantly reduced healthcare costs. This paper presents the roles of nanotechnology and IoNT in medicine and healthcare, and attempts to gain an insight of nanoscale solutions and approaches, highlighting benefits and discussing potential risks and concerns. Despite concerns regarding nanotoxicity, privacy and security issues, it is anticipated that nanotechnology and IoNT will show their full potential in medicine and healthcare in the years to come.

Resumen La salud, como derecho humano básico, no ha permanecido inmune a las tecnologías innovadoras. El progreso tecnológico ha contribuido significativamente a un servicio de salud de alta calidad, aceptable y asequible. Desde su aparición, la nanotecnología y el Internet de las Nanocosas (IoNT, por sus siglas en inglés) han cambiado la atención médica y han influenciado tremendamente su transformación para obtener mejores resultados. La inclusión de la nanotecnología en medicina a través de nanomateriales y nanodispositivos se conoce como nanomedicina. Esta ha brindado numerosos beneficios a la prevención, diagnóstico y tratamiento de enfermedades. Al ir más allá y conectar los nanodispositivos a Internet, nació el paradigma del IoNT. La inclusión de conceptos del IoNT en los servicios de salud ha resultado en monitoreo y tratamiento más personalizados, oportunos y convenientes. Por estos motivos, la nanotecnología y el IoNT tienen el potencial para revolucionar completamente la asistencia médica en el siglo XXI, creando un sistema que permitirá la detección y diagnóstico tempranos de enfermedades, seguidos por un tratamiento preciso, oportuno y efectivo con costos significativamente menores. Este artículo presenta el papel que la nanotecnología y el IoNT tienen en medicina y los servicios de salud. Además, intenta ampliar el conocimiento sobre las soluciones y enfoques a nanoescala, resaltando los beneficios y analizando los riesgos y preocupaciones potenciales. A pesar de los miedos relacionados con la nanotoxicidad y privacidad, se anticipa que la nanotecnología y el IoNT muestren todo su potencial en el campo de la medicina y la salud en los próximos años.

Development and implementation of technologies for physical telerehabilitation in Latin America: a systematic review of literature, programs and projects

Abstract Telerehabilitation has arised by the inclusion of emerging technologies for capturing, transmitting, analyzing and visualizing movement patterns associated to musculoskeletal disorders. This therapeutic strategy enables to carry out diagnosis processes and provide rehabilitation treatments. This paper presents a systematic review of the current development and implementation of telerehabilitation technologies in Latin America. The main goal is to explore the scientific literature and dissemination sources to establish if such technologies have been introduced in this region. Likewise, this work highlights existing prototypes or systems that are to being used or that are still under development. A systematic search strategy was conducted by two different searches: the first one involves a rigorous literature search from the most relevant scientific digital repositories; the second one included telerehabilitation projects and programs retrieved by an advanced Google search. A total of 53 documents from six countries (Colombia, Brazil, Mexico, Ecuador, Chile and Argentina) were found. Most of them were focused on academic and research initiatives to develop in-home telerehabilitation technologies for pediatric and elderly populations affected by motor and functional impairment, cerebral palsy, neurocognitive disorders and stroke. The analysis of the findings revealed the need for a comprehensive approach that integrates health care and the social system to increase the current availability of telerehabilitation initiatives in Latin America.

Resumen La telerehabilitation ha surgido debido a la inclusión de tecnologías emergentes para la captura, transmisión, análisis y visualización de patrones de movimiento asociados a pacientes con trastornos músculo-esqueléticos. Esta estrategia permite llevar a cabo procesos de diagnóstico y tratamientos de rehabilitación a distancia. Este artículo presenta una revisión sistemática del desarrollo e implementación actual de las tecnologías de telerehabilitación en la región latinoamericana. El objetivo principal es explorar, a partir de la literatura científica reportada y fuentes divulgativas, si las tecnologías de telerehabilitación han logrado ser introducidas en esta región. Asimismo, este trabajo revela los prototipos actuales o sistemas que están en desarrollo o que ya están siendo usados. Se llevó a cabo una revisión sistemática, mediante dos búsquedas diferentes. La primera implicó una búsqueda bibliográfica rigurosa en los repositorios digitales científicos más relevantes en el área y la segunda incluyó proyectos y programas de telerehabilitación implementados en la región, encontrados a partir de una búsqueda avanzada en Google. Se encontró un total de 53 documentos de seis países (Colombia, Brasil, México, Ecuador, Chile y Argentina); la mayoría de ellos estaban enfocados en iniciativas académicas y de investigación para el desarrollo de prototipos tecnológicos para telerehabilitación de pacientes pediátricos y adultos mayores, afectados por deficiencias motoras o funcionales, parálisis cerebral, enfermedades neurocognitivas y accidente cerebrovascular. El análisis de estos documentos reveló la necesidad de un extenso enfoque integrado de salud y sistema social para aumentar la disponibilidad actual de iniciativas de telerehabilitación en la región latinoamericana.