Tecnura

EDITORIAL

Análisis estadístico de la radiación solar global en Cúcuta utilizando el modelo ANOVA

ABSTRACT Objective: This paper presents a statistical analysis of solar radiation in the city of Cúcuta, aiming to provide a detailed description of its variability between 2005 and 2015. This information represents an assessment tool to study the solar potential of the region for photovoltaic system design, motivated by the need to improve the cost-effectiveness of this technology, and thus increase its penetration in the Colombian electric grid. Methodology: Three weather databases with hourly data were studied, from which the one with the largest amount of data available was selected. By means of the R Studio software, two types of statistical methods were executed: single factor variance analysis (ANOVA) and Bonferroni test. From this, graphs representing the statistical summary of solar radiation values in the last decade were obtained. Results: The ANOVA showed a p-value of 6,28x10-7, indicating that there is a statistically significant difference in the sample mean between the different years of study. Likewise, the years and months with the greatest deviation and the possible causes for the variability of this parameter were identified. Conclusions: Despite showing a stable behavior, the radiation of the city of Cúcuta requires a very specific analysis for its use in applications that need a high sensitivity in the handling of this information, since there are statistically significant variations that can occur for its use. Funding: Universidad Francisco de Paula Santander

RESUMEN Objetivo: Esta investigación presenta un análisis estadístico de la radiación solar en la ciudad de Cúcuta, con el objetivo de brindar una descripción detallada de su variabilidad entre los años 2005 y 2015. Esta información representa una herramienta evaluativa en el estudio del potencial solar de la región para el diseño de sistemas fotovoltaicos, partiendo de la necesidad de mejorar la relación costo/beneficio de esta tecnología, y así incrementar su penetración en la matriz eléctrica colombiana. Metodología: Se realizó un estudio de tres bases de datos climatológicas con información horaria, seleccionando aquella con la mayor cantidad de datos disponibles. Por medio del software R Studio, se ejecutaron dos tipos de métodos estadísticos: análisis de la varianza de un solo factor (ANOVA) y test de Bonferroni. A partir de esto, se obtuvieron gráficas que representan el resumen estadístico de los valores de radiación solar en la última década. Resultados: El análisis ANOVA arrojó un valor p de 6,28x10-7, indicando que existe una diferencia estadísticamente significativa de la media muestral entre los diferentes años de estudio. Asimismo, se identificaron los años y meses con mayor desviación y las posibles causas de la variabilidad de este parámetro. Conclusiones: A pesar de tener un comportamiento estable, la radiación de la ciudad de Cúcuta requiere de un análisis muy específico para su uso en aplicaciones que necesiten una alta sensibilidad en el manejo de esta información, ya que hay variaciones estadísticamente significativas que se pueden presentar para su uso. Financiamiento: Universidad Francisco de Paula Santander.

Diseño óptimo de un resorte helicoidal usando un algoritmo genético continuo

Abstract Objective: In this paper, a continuous genetic algorithm (CGA) for the optimal design of a closed-coil helical spring is proposed. Methodology: The solution methodology uses the minimization of the total spring volume as objective function, considering the wire diameter, mean diameter and number of active coils as main variables. As set of constraints, the technical and physical requirements for the correct and safe design of the aforementioned element are implemented. A CGA is employed as a solution method, and, as comparison methods, different optimization algorithms were used, which were employed in the specialized literature for solving the problem addressed in this study. Results: The results obtained show that the CGA achieved the minimum value of volume, 1.5% less than the best reported technique, with a processing time lower than 1 s, which proves that the proposed methodology obtains the best results in terms of solution quality and processing time. Conclusions: The simulation results show that the CGA obtains the best solution in comparison with the other techniques, at a low computational cost and providing a solution that meets the physical and technical constraints of the design.

Resumen Objetivo: En este artículo de investigación se propone un algoritmo genético continuo (CGA) para realizar el diseño óptimo de un resorte helicoidal de bobina cerrada. Metodología: La metodología de solución emplea como función objetivo la minimización del volumen total de un resorte helicoidal, considerando como variables principales el diámetro del alambre, el diámetro promedio y el número de bobinas activas. Como conjunto de restricciones se implementan los requerimientos físicos y técnicos para el diseño seguro y adecuado del elemento mencionado. Como método de solución se emplea un CGA, y como métodos de comparación son usados diferentes algoritmos de optimización que han sido implementados en la literatura especializada para dar solución al problema abordado. Resultados: Los resultados obtenidos muestran que el CGA obtiene el mínimo valor de volumen, siendo menor en un 1,5% en comparación con la mejor técnica reportada, con un tiempo de procesamiento menor a 1 s, lo cual demuestra que la metodología propuesta obtiene los mejores resultados en términos de calidad de la solución y tiempo de procesamiento. Conclusiones: Los resultados de simulación muestran que el CGA obtiene la mejor solución en comparación con las demás técnicas, a un bajo costo computacional y entregando una solución que cumple con los requerimientos físicos y técnicos del diseño.

Metodología para la síntesis de autómatas en la planificación de movimientos en sistemas autónomos con múltiples agentes

ABSTRACT Objective: To present a methodology for motion planning in autonomous systems with multiple agents. Methodology: The physical behavior of a team of autonomous navigation systems is parameterized and defined. Then, a control policies algorithm is described and implemented, which interprets these descriptions, which are converted into LTL formulas, and a model is generated which allows making automatic abstractions. From generic solution configurations, the case of multiple robots with a single task in an environment with fixed obstacles is derived. The methodology is validated in different scenarios, and the results are analyzed. Results: The proposed methodology for motion planning in autonomous systems with multiple agents combines two state-of-the-art techniques, thus allowing to mitigate the combinatorial explosion of states in traditional approaches. Conclusions: The proposed methodology solves the automaton synthesis problem for high-level control with task changes during the execution. Under certain criteria, the problem of combinatorial explosion of states associated with these systems is mitigated. The solution is optimal with regard to the number of transactions performed by the team members. Funding: Universidad Tecnológica de Pereira

RESUMEN Objetivo: Presentar una metodología para la planificación de movimientos de sistemas autónomos con múltiples agentes. Metodología: Se define y parametriza el comportamiento físico de un equipo de sistemas de navegación autónoma. Luego se describe e implementa un algoritmo de síntesis de políticas de control que interpreta estas descripciones convertidas a fórmulas LTL y se genera un modelo que permite hacer abstracciones automáticas. A partir de configuraciones genéricas de solución, se deriva en el caso de múltiples robots con una única tarea en un entorno con obstáculos fijos. La metodología se valida en diferentes escenarios y se analizan los resultados. Resultados: La metodología propuesta para planificación de movimientos en sistemas con múltiples agentes combina dos técnicas del estado del arte, permitiendo mitigar la explosión combinacional de estados presente en los enfoques tradicionales. Conclusiones: La metodología que se presenta resuelve el problema de síntesis de autómatas para el control de alto nivel, con cambio de tareas durante la ejecución. Bajo ciertos criterios, se mitiga el problema de explosión combinacional de estados asociado a estos sistemas. La solución es óptima respecto al número de transiciones seguidas por los miembros del equipo. Financiamiento: Universidad Tecnológica de Pereira

Marco de referencia para la resiliencia de las redes eléctricas de BT con inyección de potencia fotovoltaica

ABSTRACT Context: Electrical distribution networks have undergone several changes in the last decade. Some of these changes include incorporating distributed energy sources such as solar photovoltaic (PV) generation systems. This could modify the performance of electrical networks and lead to new challenges such as evaluating the impacts of the PV integration, the response to electrical and climatic disturbances, and the planning and restructuring of networks. Electrical network behavior with respect to PV integration could be evaluated by quantifying the variation in operation and including network resilience. Objective: To propose a reference framework to evaluate the resilience of LV electrical networks with PV power injection. Methodology: This paper addresses the framework for evaluating the performance of a low-voltage (LV) electrical network in the face of the integration of PV systems. It collects research related to evaluating the resilience of electrical networks on severe climate changes, natural disasters, and typical maneuvers, and then, it proposes a guideline to evaluate the performance of LV electrical networks with the integration of PV generation sources while including resilience. To this effect, the determination of resilience evaluation indices is proposed. These indices are obtained from a normalized transformation of the networks’ measurable electrical parameters that are the most affected by PV integration or are significant in the performance of the networks. Finally, the evaluation of a proposed resilience index for a university building’s LV network is presented as a case study. Results: The resilience assessment proposal is applied to a case study. When evaluating the resilience of the voltage at the common coupling point of the PV, an index of 0,84 is obtained, which is equivalent to 59,8 hours of overvoltage. Conclusions: It is possible to improve the resilience of the BT-LV network through management strategies. In the case study, a 29% reduction in overvoltage hours was obtained by applying a curtailment strategy to the PV system. Financing: ECOS-Nord, Minciencias, and Universidad Industrial de Santander.

RESUMEN Contexto: Las redes eléctricas de distribución han sufrido varios cambios en la última década. Algunos cambios incluyen la incorporación de fuentes de energía distribuidas como los sistemas de generación solar fotovoltaica (PV). Esto podría modificar el rendimiento de la red eléctrica y generar nuevos desafíos como la evaluación de los impactos de la integración fotovoltaica, la respuesta a las perturbaciones eléctricas y climáticas y la planificación y reestructuración de las redes. El comportamiento de la red eléctrica frente a la integración fotovoltaica podría evaluarse cuantificando la variación en la operación e incluyendo la resiliencia de la red. Objetivo: Proponer un marco de referencia para la evaluación de la resiliencia de las redes eléctricas de BT con inyección de potencia PV. Metodología: Este artículo aborda el marco para evaluar el desempeño de una red eléctrica de baja tensión (BT) frente a la integración de sistemas PV. Recoge investigaciones relacionadas con la evaluación de la resiliencia de las redes eléctricas ante cambios climáticos severos, desastres naturales y maniobras típicas, y luego propone una guía para evaluar el desempeño de las redes eléctricas de baja tensión con la integración de las fuentes de generación fotovoltaica e incluye la resiliencia. Para ello, se propone la determinación de índices de evaluación de resiliencia, los cuales se obtienen de una transformación normalizada de los parámetros eléctricos medibles de las redes que son más afectados por la integración fotovoltaica o son significativos en el rendimiento de las redes. Finalmente se presenta la evaluación de un índice de resiliencia propuesto para una red LV de BT de un edificio universitario como caso de estudio. Resultados: La propuesta de evaluación de resiliencia se aplica a un caso de estudio. Al evaluar la resiliencia de la tensión en el punto de acoplamiento común del PV, se obtiene un índice de 0,84, equivalente a 59,8 horas de sobretensión. Conclusiones: Es posible mejorar la resiliencia de la red de BT mediante estrategias de gestión. En el caso de estudio, se obtuvo una reducción del 29% de las horas con sobretensión aplicando una estrategia de reducción al sistema PV. Financiamiento: ECOS-Nord, Minciencias y la Universidad Industrial de Santander.

Estimación de la radiación solar global utilizando redes neuronales NNARX basadas en el índice UV

ABSTRACT Context: This work presents different models based on artificial neural networks, among them NNARX, for estimating global solar radiation from UV index measurements. The objective is to determine the efficiency of the models studied to estimate global solar radiation in terms of the coefficient of determination (R2), the root-mean-square error (RMSE), and the mean absolute error (MAE). Methodology: It is divided into four stages: i) conformation of the training dataset (in this case, it uses a training set of 213.019 data collected over five years in the city of Pasto, Colombia, with the Davis Vantage Pro 2.0 station); ii) pre-processing of data to remove erroneous and unusual data; iii) definition of models based on recurrent and conventional artificial neural networks according to an analysis of topologies, e.g. NNFIR and NNARX; iv) training of the models and evaluation of the estimation efficiency through metrics such as R2, RMSE, and MAE. To validate the model, a new dataset collected during the last year was used, which was not included in the data training. Results: The global solar radiation estimation models based on NNARX show the best estimation efficiency compared to conventional neural networks. The NNARX221 model has an RMSE of 54,32 and a MAE of 18,06 w/m2. Conclusions: NNARX models are highly efficient at estimating global solar radiation, with a coefficient of determination of 0,9697 in the best of cases. The most efficient models are characterized by using two past times and the current UV index instant, and they feed from two past times of their own estimated radiation output. Furthermore, the numerical results show that the contribution of temperature and relative humidity is not relevant to improving the efficiency of the estimation of global solar radiation. These models can be particularly important since they only use measurements made with UV index sensors, which are less expensive than solar radiation ones.

RESUMEN Contexto: Este trabajo presenta diferentes modelos basados en redes neuronales artificiales, entre ellas las NNARX, para la estimación de la radiación solar global a partir de mediciones del índice UV. El objetivo es determinar la eficiencia de los modelos estudiados para estimar la radiación solar global en términos del coeficiente de determinación (R2), la raíz del error medio cuadrático (RMSE) y el error absoluto medio (MAE). Metodología: Se divide en cuatro etapas: i) conformación del set de datos de entrenamiento (en este caso se utiliza un set de entrenamiento de 213.019 datos recolectados durante 5 años en la ciudad de Pasto, Colombia, con la estación Davis Vantage Pro 2.0); ii) pre-procesamiento de los datos para remover datos erróneos e inusuales; iii) definición de modelos basados en redes neuronales artificiales recurrentes y convencionales basándose en un análisis de topologías, e.g. NNFIR y NNARX; iv) entrenamiento de los modelos y evaluación de la eficiencia de la estimación por medio de métricas como R2, RMSE y MAE. Para validar el modelo se utilizaron datos recolectados durante el último año, los cuales no se incluyeron en el entrenamiento. Resultados: Los modelos de estimación de radiación solar global basados en NNARX presentan la mejor eficiencia en la estimación en comparación con redes neuronales convencionales. El modelo NNARX221 presenta un RMSE de 54,32 y un MAE de 18,06 w/m2. Conclusiones: Los modelos NNARX tienen una gran eficiencia para estimar la radiación solar global, en el mejor de los casos con un coeficiente de determinación de 0,9697. Los modelos más eficientes se caracterizan por utilizar dos instantes pasados y el instante actual de índice UV y realimentar dos instantes pasados de su propia salida de radiación estimada. Además, los resultados numéricos muestran que la contribución de la temperatura y humedad relativa no es relevante para mejorar la eficiencia de la estimación de la radiación solar global. Estos modelos pueden ser particularmente importantes dado que solamente utilizan mediciones realizadas con sensores de índice UV que son menos costosos que los sensores de radiación solar.

Revisión de estrategias de modelado de la demanda de carga para vehículos eléctricos: una comparación de enfoques grid-to-vehicle probabilísticos

ABSTRACT Objective: In this paper, different approaches to how the penetration of electric vehicles (EV) can be modeled in power networks are reviewed. The performance of three probabilistic electric vehicle charging load approaches considering four levels of penetration of EV is also evaluated and compared. Methodology: A detailed search of the state-of-the-art in charging load modeling strategies for electric vehicles is carried out, where the most representative works on this subject were compiled. A probabilistic model based on Monte Carlo Simulation is proposed, and two more methods are implemented. These models consider the departure time of electric vehicles, the arrival time, and the plug-in time, which were conceived as random variables. Results: Histograms of the demand for charging of electric vehicles were obtained for the three models contemplated. Additionally, a similarity metric was calculated to determine the distribution that best fits the data of each model. The above was done considering 20, 200, 2.000, and 20.000 electric vehicles on average. The results show that, if there is a low penetration of electric vehicles, it is possible to model the EV charging demand using a gamma distribution. Otherwise, it is recommended to use a Gaussian or lognormal distribution if there is a high EV penetration. Conclusions: A review of the state of the art of the modeling of electric vehicles under a G2V approach is presented, where three groups are identified: deterministic approaches, methods that deal with uncertainty and variability, and data-driven methods. Additionally, it was observed that EVCP model 3 and gamma distribution could be appropriate for modeling the penetration of electric vehicles in probabilistic load flow analysis or for stochastic planning studies for active distribution networks. Funding: Institución Universitaria Pascual Bravo

RESUMEN Objetivo: En este artículo se revisan diferentes enfoques sobre cómo modelar la penetración de los vehículos eléctricos (EV) en los sistemas eléctricos de potencia. También se evalúa y compara experimentalmente el desempeño de tres enfoques probabilísticos de demanda de carga de vehículos eléctrico considerando cuatro niveles de penetración de EV. Metodología: Se realiza una búsqueda detallada del estado del arte de estrategias de modelado de carga de carga para vehículos eléctricos, donde se recopilaron los trabajos más representativos sobre este tema. Se propone un modelo probabilístico basado en la simulación de Monte Carlo y se implementan dos métodos más. Estos modelos tienen en cuenta la hora de salida de los vehículos eléctricos, la hora de llegada y la hora que se conectan a la red, las cuales fueron concebidas como variables aleatorias. Resultados: Se obtuvieron histogramas de la demanda de carga de los vehículos eléctricos para los tres modelos contemplados. Adicionalmente, se calculó una métrica de similitud para conocer la distribución que mejor se ajusta a los datos de cada modelo. Lo anterior se realizó considerando 20, 200, 2.000 y 20.000 vehículos eléctricos en promedio. Si se tiene una baja penetración de vehículos eléctricos, es posible modelar la demanda de estos usando una distribución gamma. De lo contrario, se recomienda usar una distribución Gaussiana o lognormal si se tiene una alta penetración de EV. Conclusiones: Se presenta una revisión del estado del arte en el modelado de vehículos eléctricos bajo un enfoque G2V, donde se identificaron tres grupos: los enfoques deterministas, los métodos que tratan la incertidumbre y la variabilidad y los métodos basados en datos. Adicionalmente, se observó que el modelo EVCP 3 y la distribución gamma pueden ser apropiados para modelar la penetración de vehículos eléctricos en análisis de flujo de carga probabilístico o para estudios de planeamiento estocástico en redes de distribución activas. Financiamiento: Institución Universitaria Pascual Bravo

Una revisión integral de la sostenibilidad en las microrredes aisladas colombianas

ABSTRACT Context: The increase in rural electrification projects has led to the emergence of technologies that allow operating local distribution networks such as isolated microgrids. However, the successful implementation of these isolated microgrids requires that their planning, operation, monitoring, and control consider a framework that allows maintaining technical, economic, and environmental sustainability over an extended time horizon. Therefore, this paper proposes a model that allows identifying the main technical, economic, regulatory, and environmental variables that should be considered for the successful planning of Colombian rural electrification solutions. Methodology: This paper proposes the use of System Dynamics to create a model that allows describing the causal relationships between the different variables essential for the design and operation of isolated microgrids. To this effect, the identification of the related variables and their corresponding classification are presented, together with a model of theoretical expectations about their relationships. Results: A model that integrates and describes the behavior of the main variables involved in the operation of microgrids was formulated to analyze the possible implementation of policies that guarantee the sustainability of these solutions and enhance the use of renewable energy resources while improving the continuity of the electric energy supply. Conclusions: It was possible to show that operation by means of isolated microgrids with the integration of Distributed Energy Resources is a sustainable solution for rural electrification in Colombia, given that it enhances the use of generation resources with a reduced carbon footprint that are present in the territories under study. These microgrids have the potential to improve the living conditions of users by reducing unsatisfied basic needs. Funding: Universidad Nacional de Colombia - Sede Manizales.

RESUMEN Contexto: El aumento de los proyectos de electrificación rural ha propiciado la aparición de tecnologías que permiten operar redes de distribución local como microrredes aisladas. Sin embargo, la implementación exitosa de estas microrredes requiere que su planificación, operación, monitoreo y control considere un marco que permita mantener la sostenibilidad integral en un horizonte de tiempo extendido. Por ello, este trabajo propone un modelo que permite identificar las principales variables técnicas, económicas, regulatorias y ambientales que deben ser consideradas para la planificación exitosa de soluciones de electrificación rural en Colombia. Metodología: Este artículo propone el uso de la Dinámica de Sistemas para la creación de un modelo que permita describir las relaciones causales entre las diferentes variables que deben ser consideradas en el diseño y operación de microrredes aisladas. Para ello se presentan la identificación de las variables relacionadas, su respectiva clasificación y un modelo de expectativas teóricas sobre la relación de estas variables entre sí. Resultados: Se formuló un modelo que integra y describe el comportamiento de las principales variables involucradas en la operación de las microrredes para analizar la posible implementación de políticas que garanticen la sostenibilidad de estas soluciones y potencien el uso de recursos energéticos renovables, a la par que mejoren la continuidad del suministro de energía eléctrica. Conclusiones: Fue posible mostrar que la operación por microrredes aisladas con integración de Recursos Energéticos Distribuidos es una solución sostenible para la electrificación rural en Colombia, pues potencia el uso de los recursos de generación con huella de carbono reducida presentes en los territorios estudiados. Estas microrredes tienen el potencial de mejorar las condiciones de vida de los usuarios al disminuir las necesidades básicas insatisfechas. Financiamiento: Universidad Nacional de Colombia.

Comparación cualitativa de estrategias de protección con relé de distancia para redes de distribución activas

ABSTRACT Objective: This paper presents a qualitative comparison of different recently proposed network protection schemes that are based on the distance function. From this comparison, possible opportunities are identified to develop strategies oriented towards protecting active distribution systems. Methodology: This research is carried out in two parts: the first is to identify the fundamental theoretical aspects of distance protection, its main problems, and a description of the most important aspects of the relevant strategies proposed in recent years. The second part consists of selecting aspects and elaborating a qualitative comparison of the different protection schemes analyzed. This comparison makes it possible to establish the advantages and disadvantages of each of the relevant proposals used in conventional electrical networks or active distribution networks. Results: As a result of this research, the most important aspects to consider in the protection design are identified, which therefore strongly affect its performance. These are summarized in a comparative table, which supports future research related to distance protection in active distribution networks. Conclusions: From this research, it can be stated that the solutions analyzed, despite being relevant within the scope of distance protection applied to active distribution networks, have problems to solve. None of these strategies protects the network for all types of failures in a selective, sensitive, reliable, and cost-effective way while guaranteeing minimum supply interruption to consumers. Funding: This paper is a result from projects 6-20-6 funded by Universidad Tecnológica de Pereira and contract 774-2020 (Integra2023) funded by Minciencias, Colombia.

RESUMEN Objetivo: Este artículo presenta una comparación cualitativa de diferentes esquemas de protección de redes, propuestos recientemente y basados en la función de distancia. A partir de esta comparación se identifican las posibles oportunidades para desarrollar estrategias esencialmente orientadas a la protección de sistemas de distribución activos. Metodología: Esta investigación se realiza en dos partes: la primera se orienta a la identificación de los aspectos teóricos fundamentales sobre la protección de distancia, sus principales problemas y una descripción de los aspectos más importantes de estrategias relevantes propuestas en los últimos años. La segunda parte consiste en la selección de aspectos y la elaboración de una comparación cualitativa de los diferentes esquemas de protección analizados. Esta comparación permite establecer las ventajas e inconvenientes de cada una de las propuestas relevantes que se utilizan en redes eléctricas convencionales o en redes de distribución activas. Resultados: Como resultado de esta investigación se identificaron los aspectos más importantes a considerar en el diseño de la protección y que, por lo tanto, afectan fuertemente su desempeño. Estos se resumen en una tabla comparativa, que sirve de apoyo a futuras investigaciones relacionadas a la aplicación de la protección de distancia en redes de distribución activas. Conclusiones: A partir de esta investigación se puede afirmar que las soluciones analizadas, pese a ser relevantes dentro del ámbito de la protección de distancia aplicada a las redes de distribución activas, tienen problemas por resolver. Ninguna de estas estrategias permite proteger la red para todos los tipos de fallas de una manera selectiva, sensible, fiable y rentable que garantice la mínima interrupción del suministro a los consumidores. Financiamiento: Este artículo es el resultado del proyecto 6-20-6 por la Universidad Tecnológica de Pereira y el contrato 774-2020 (Integra 2023) por Minciencias, Colombia.