Trabajos de grado Maestría investigativa en Ingeniería Eléctrica

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Estrategia de detección de fallas basada en el dominio del tiempo para redes de distribución activas y micro redes AC.
(Universidad del Norte, 2025) Herrada Coronell, Álvaro Andrés; Restrepo Restrepo, Mauricio; Orozco Henao, César Augusto; Pulgarín Rivera, Juan Diego
La presente tesis analiza los retos derivados de la transición de las redes de distribución tradicionales hacia redes de distribución activa (ADNs). Este cambio de paradigma exige reevaluar los efectos en los sistemas complementarios como sistemas de control, de protección eléctrica y almacenamiento. A partir de este análisis, el trabajo se centra en el ámbito de las protecciones eléctricas, particularmente en los efectos del paso de una generación de naturaleza unidireccional a una distribuida con flujos de potencia bidireccionales. En este contexto, se desarrolla un detector de fallas basado en el tiempo, utilizando la arquitectura de aprendizaje profundo LSTM.
Impacto de la integración de estaciones de recarga rápida en el desempeño de los esquemas de protección basados en sobrecorriente en sistemas de distribución
(Universidad del Norte, 2023) Caraballo Gómez, Michel Francisco; Orozco Henao, César Augusto; Restrepo Restrepo, Mauricio
La proliferación de los Buses Eléctricos (BEs) en las redes de transporte urbano, y la adopción de los Sistemas de Recarga Rápida por Oportunidad (SRROs) para respaldar su operación, demanda un análisis más cercano de su impacto en los sistemas de protección. Por lo tanto, este documento analiza detalladamente los efectos de los SRROs en los esquemas convencionales de protección de sobrecorriente y propone una estrategia novedosa para mitigar los efectos de la energización y falla más carga generados por esta estrategia de recarga en los sistemas de protección. El enfoque propuesto incluye restricciones adicionales en el problema de coordinación de sobrecorriente para minimizar los tiempos de operación y mantener los decalajes de coordinación entre la protección principal y la protección de respaldo remota. Además, el problema de optimización resultante se resuelve con el Algoritmo del Ciclo del Agua (WCA, por sus siglas en inglés) y se valida en los sistemas de prueba IEEE 34 e IEEE 123. En situaciones de sobrecarga, la estrategia produce un aumento mínimo de menos de 200 ms en los tiempos de respuesta de la protección principal, asegurando la no operación durante las conexiones del BE, mientras que, en escenarios sin sobrecarga, los ajustes óptimos mantienen tiempos de respuesta comparables. El documento concluye recomendando mecanismos coordinados de desconexión con los operadores de red para prevenir demandas insatisfechas durante conexiones prolongadas de los BEs.
Estrategia de protección adaptativa basada en dispositivos de sobrecorriente para redes de distribución activas y microrredes CA
(Universidad del Norte, 2022) Barranco Carlos, Adrián Osvaldo; Orozco Henao, Cesar Augusto
Actualmente en Colombia se han establecido políticas claras para la integración de fuentes no convencionales de energías renovables en toda la cadena de producción de energía eléctrica. Esto incluye a la integración de generación distribuida y sistemas de almacenamiento de energía en los sistemas de distribución, lo cual trae significativos retos en su operación y exige la integración de infraestructura de automatización y control para lograr que estas redes operen de manera confiable y eficiente. Esto llevará a una modernización de los sistemas de distribución, transformándolos en redes de distribución activas. Uno de los principales retos es en el diseño de los sistemas de protección para este tipo de redes, dado que la integración de estas fuentes dispersas y las funcionalidades de control cambian las características de las redes de distribución convencionales. Esto ocasiona la presencia de flujos bidireccionales, niveles de cortocircuito variables, cambios en la topología por reconfiguración, la conexión y desconexión de generación distribuida y de microrredes. Todos estos cambios afectan la operación de los sistemas de protección convencionales basados en dispositivos de sobrecorriente y por lo tanto, se requiere la formulación de nuevas estrategias de protección que considere las condiciones operativas de las redes de distribución activas. Esta tesis de maestría formula una estrategia de protección adaptativa basada en dispositivos de protección de sobrecorriente con varios grupos de ajuste. La estrategia usa técnicas de clustering para agrupar las condiciones operativas que presenten semejanzas entre sí y determina el ajuste de los dispositivos de protección para cada conjunto de condiciones operativas. Para el ajuste de los dispositivos de protección de sobrecorriente, la estrategia formula el problema de coordinación de protecciones como un problema de optimización no lineal entero-mixto y determina su solución mediante el uso de una técnica de algoritmos genéticos. La estrategia fue validada en el sistema IEEE34 nodos modificado, bajo diferentes condiciones de operación que incluyen cambios de topología, entrada y salida de generadores distribuidos y entrada y salida de una microrred. Los resultados obtenidos muestran que la estrategia de protección propuesta determina el ajuste de los dispositivos de protección que minimiza sus tiempos de operación y no viola ninguna de las restricciones, lo cual garantiza la coordinación entre los dispositivos.
Operación y control de sistemas comunitarios de almacenamiento de energía en redes de distribución aéreas
(Universidad del Norte, 2022) Yepes Fernández, Hernán Javier; Restrepo Restrepo, Jorge; Arango Manrique, Adriana
La presente tesis propone el análisis de la posible integración de los Sistemas Comunitarios de Almacenamiento de Energía en las redes eléctricas de distribución en Colombia, para la prestación de diversos servicios complementarios como la reducción de picos de consumo, el soporte de tensión, el alivio de la congestión de las líneas y la reducción de pérdidas en las líneas, ya que actualmente dichos problemas son resueltos a través de mecanismos independientes. Así, la presente tesis propone un algoritmo de Control Predictivo asociado a Modelos para resolver el problema de optimización correspondiente al despacho de los Sistemas Comunitarios de Almacenamiento de Energía para una ventana de tiempo de 48 horas. Todo esto bajo diferentes escenarios en donde se examina el comportamiento de las estrategias de control aplicadas a diferentes Sistemas Comunitarios de Almacenamiento de Energía Agregados diseñados y programados para su operación en redes de distribución aéreas. Por último, tras el despacho, se estima la degradación anual de las baterías a través de un modelo matemático con el fin de analizar cómo afectará el comportamiento del Estado de Carga a las celdas en el largo plazo.
Estrategias de flujo de carga y estimación de estado para redes de distribución activas
(Universidad del Norte, 2022) Espitia Pantoja, Gustavo Adolfo; Orozco Henao, Cesar Augusto; Calle Torres, María Gabriela
La industrialización, la expansión de la urbanización, la creciente demanda y dependencia de energía de la sociedad siempre han sido los principales motores de evolución de los sistemas de suministro de electricidad, ahora con la transición energética que proponen los países para tratar de disminuir el impacto que tendrá el cambio climático en los próximos años, la exigencia que tendrán los sistemas eléctricos será mayor. No solo es el hecho de que haya más consumo de energía eléctrica, sino que ahora los usuarios pueden ser generadores de energía, lo cual implica que el flujo de potencia deja de ser unidireccional y pasa a ser bidireccional, con las exigencias técnicas que eso implica. Además, con los vehículos eléctricos la carga está dejando de ser localizada, y cada vez más habrá movilidad geográfica de las cargas, algo jamás antes pensado, más aún, los vehículos eléctricos mismos pueden inyectar energía en un momento dado a la red, lo cual la hace cada vez más dinámica. Estos elementos hacen que se requieran nuevas herramientas para la planificación y operación de la red, o al menos que se actualicen para atender los nuevos requerimientos, por ejemplo, el estudio de flujo de carga ahora tiene que modelar el comportamiento de los recursos energéticos distribuidos, particularmente con la publicación del estándar IEEE 2547-2018. Este documento presenta los resultados de investigación en el desarrollo de una estrategia de flujo de carga y una de estimación de estado para redes de distribución contemplen los requerimientos de las redes de distribución activa con resultados satisfactorios obtenidos en simulación. Como siguientes pasos en la investigación se propone implementar estas estrategias en modelos físicos.
Optimización del flujo de energía en instituciones de asistencia médica utilizando técnicas heurísticas
(Universidad del Norte, 2022) Acosta Dangond, Juan David; Oliveros Pantoja, Ingrid; Soto Ortiz, José Daniel
Las instalaciones de asistencia médica ubicadas en el departamento de La Guajira tienen una fuente de suministro de energía eléctrica principal, que es la red de distribución del Operador de Red (OR). La infraestructura eléctrica del OR funciona de manera deficiente con numerosas interrupciones. Por esta razón, el sistema eléctrico esencial de estas instalaciones utiliza una fuente de energía de respaldo, que generalmente es un generador diésel. Esto significa que no se garantiza el respaldo completo de la demanda de la instalación hospitalaria en un día y se tiene un costoso kWh. Por este motivo, esta investigación se preocupó por encontrar una solución energéticamente viable y amigable con el medio ambiente. La solución consistió en desarrollar un sistema eléctrico esencial hospitalario conformado de manera hibrida con energías renovables (HRES), de la siguiente manera: sistema fotovoltaico, generador diésel y un sistema de baterías. Para la operación de este sistema HRES se desarrolló una metodología que permitió optimizar el flujo de energía mediante el uso de una técnica heurística, que está basada en un algoritmo genético de estrategia evolutiva (Plus (μ+λ). Este permitió calcular y minimizar los costos de generación del sistema HRES que opera sin conexión (Off-Grid) a la red de media tensión. Se destaca, el resultado de simulación de 24 horas, en donde, se logró disminuir los costos energéticos y el uso del generador diésel en un 20% a través de la implementación de un sistema fotovoltaico y de un sistema de baterías en las instalaciones de asistencia médica.
Sistema de localización de fallas basado en tecnologías de la información y comunicación TICs para el mejoramiento de la calidad del servicio de energía eléctrica del Departamento del Atlántico
(Universidad del Norte, 2021) Atencia de la Ossa, Jesús Mario; Orozco Henao, Cesar Augusto
Los índices de calidad del servicio de energía eléctrica de la Región Caribe son los peores del país. Lo anterior debido a factores ambientales que afectan su operación, deterioro en las redes eléctrica, entre otros. A partir del uso de métodos automáticos de localización de fallas se busca mejorar la calidad del servicio de energía del departamento del Atlántico. Esta investigación presenta una metodología de localización de fallas que se adapta a los recursos de comunicación e información disponibles en el sistema de distribución. Para lograr lo anterior, se consideraron dos escenarios: En el primero, no se tiene un sistema de comunicación centralizado o no está disponible y formula un modelo de red neuronal artificial (ANN) como un estimador de la zona en falla para cada Dispositivo Electrónico Inteligente (IED) que esté integrado al sistema. Por otra parte, en el segundo, si el sistema de distribución posee Tecnologías de Información y Comunicación (TIC) basados en un sistema centralizado, la metodología formula un esquema maestro-esclavo para la estimación de la zona en falla mediante medidas dispersas, donde la etapa maestra está compuesta por un algoritmo genético que determina la ubicación y número de IEDs para maximizar el rendimiento del esquema de localización; y la etapa esclava utiliza ANN para introducir la capacidad de que cada dispositivo determine la zona de falla usando medidas locales de tensión y corriente. Los resultados obtenidos mostraron que cada IED instalado en la red principal y microrred, pueden estimar la zona en falla con una precisión entre 87% y 91% cuando se presenta el primer escenario. Por otra parte, para el segundo escenario, el esquema de localización maestro-esclavo propuesto puede estimar la zona en falla con una precisión superior al 95%.
Optimización del rendimiento de sistemas fotovoltaicos mediante la implementación de un prototipo de mecanismo seguidor con cuerdas para la orientación solar automática MSCOSA
(Universidad del Norte, 2020) Rojas Feris, Emerson Andreis de Jesús; Oliveros Pantoja, Ingrid; Sanjuan de Caro, Javier Darío
Los sistemas fotovoltaicos dependen directamente de su orientación con respecto al movimiento relativo entre la tierra y el sol. Los sistemas de seguimiento solar, (Solar Tracking Systems, STS), orientan sistemas fotovoltaicos que aprovechan una porción mucho mayor de la radiación solar incidente, hasta un 40% por encima de los sistemas de orientación fija. Este proyecto muestra los resultados de la Optimización del rendimiento de sistemas fotovoltaicos, mediante el diseño y la implementación de un Prototipo de mecanismo seguidor con cuerdas para la orientación Solar Automática MSCOSA. Mediante pruebas de campo se obtuvo que el rendimiento del MSCOSA es similar a un STS con mecanismo serial, con un 95% de confianza, de acuerdo con la evidencia experimental. Dado que el dispositivito MSCOSA es más fácil de construir, cuenta con mayor estabilidad frente al viento y su movilidad resulta más fluida, con una estructura más ligera y menor cantidad de eslabones, siendo una cadena cinemática cerrada, es factible concluir que el modelo MSCOSA propuesto se aventaja frente a los seguidores solares de tipo serial.
Filtro activo de potencia con esquema de control selectivo para la eliminación de las componentes armónicas de los inversores fotovoltaico de conexión a red
(Universidad del Norte, 2012) Osorio Gutiérrez, Jhoinner Daniel; Montaña Chaparro, Johny
Es motivación de esta tesis mejorar la calidad de la energía que generan los sistemas fotovoltaicos conectados a la red, compensando el contenido armónico inyectado por el inversor fotovoltaico mediante filtros activos de potencia (FAP) con esquema de control selectivo que permiten eliminar los armónicos individualmente (por separado) mejorando la respuesta del filtro frente a determinadas frecuencias de interés. Lo anterior, supone además un aspecto innovador dentro de la literatura, ya que estudios anteriores a éste, se han interesado siempre en la compensación de los armónicos originados desde cargas no lineales pero no desde una fuente de tensión, como en este caso.
Estudio comparativo de las tecnologías utilizadas para la generación de energía eléctrica con gas y carbón con relación al costo variable de suministro de combustible
(Universidad del Norte, 2013) Hernández Yabrudy, Andrés Mauricio; Soto Ortiz, José Daniel
La presente investigación contiene un estudio cuyo propósito es determinar el comportamiento de los costos variables de suministro de combustible, (CSC), en la generación de energía eléctrica con gas y carbón en Colombia. Este trabajo genera información económica que sirve de base para la toma de decisiones acerca del manejo eficiente de los recursos energéticos en nuestro país. Dicho estudio parte de la identificación de los factores que actúan en la composición del CSC, encontrando que para el combustible carbón intervienen el precio, la calidad o poder calorífico y la eficiencia de la planta de generación que lo utiliza, y para el gas, el precio y la eficiencia de la planta que lo utiliza como combustible.
Modelo de predicción de la demanda de energía eléctrica en Colombia por regresiones múltiples
(Universidad del Norte, 2012) Grimaldo Guerrero, John William; Soto Ortiz, José Daniel
En la presente memoria se muestra la investigación de un modelo de regresión lineal múltiple aplicado al pronóstico anual de la demanda de energía eléctrica, sus resultados fueron validados mediante estadísticas de regresión y el coeficiente Cp de Mallows, usando datos reales del Sistema Eléctrico Colombiano.
Caracterización espacio temporal de las descargas eléctricas atmosféricas a tierra en la Región Caribe colombiana
(Universidad del Norte, 2013) Silva Ortega, Jorge Iván; Montaña Chaparro, Johny
El presente documento se encuentra dividido en cuatro capítulos, los cuales se encuentran orientados a definir, interpretar y, presentar el comportamiento de los parámetros de las descargas atmosféricas a tierra medidas por el sistema LINET. Es por lo anterior que este documento se encuentra integrado de la siguiente forma: Capitulo 1: “caracterización de las descargas atmosféricas a tierra” hace referencia a la fundamentación teoría relacionada con los parámetros de las descargas atmosféricas a tierra y su relevancia en la caracterización de las mismas, al igual que se presenta información disponible en Colombia respecto a las descargas atmosféricas a tierra. El Capitulo 2, corresponde al capítulo de metodología donde se exponen los procedimientos realizados y los análisis considerados para la obtención de los resultados que están asociados al análisis de la información obtenida de la red LINET para caracterizar las descargas atmosféricas a tierra. En el Capítulo 3 se presentan los resultados de la caracterización de las descargas atmosféricas en la región Caribe Colombiana”. El capítulo 4 presenta las conclusiones y recomendaciones generadas durante el desarrollo de la investigación al igual que los futuros proyectos que pueden dar continuidad al desarrollo de este tema de investigación que requiere de un mayor periodo de visión para efectuar la validación adecuada de los resultados obtenidos.
Desempeño de líneas aéreas de transmisión frente a descargas eléctricas atmosféricas: análisis de la falla de apantallamiento en zonas de topografía montañosa
(Universidad del Norte, 2013) Jiménez Méndez, Víctor Hugo; Montaña Chaparro, Johny
Como una opción a las técnicas que se emplean actualmente y siguiendo la línea de trabajo de otros investigadores, se ha desarrollado un nuevo método que permite evaluar el desempeño de las líneas aéreas de transmisión frente al impacto directo de rayos en zonas de topografía montañosa, teniendo en cuenta aquellos aspectos que no se incluyen en los métodos convencionales y que podrían causar diferencias entre el desempeño real y el esperado. Se trata de un método definido que, circunscrito a la falla de apantallamiento, permite estudiar el efecto combinado de la polaridad, multiplicidad y ángulo de aproximación del rayo, la distribución de la densidad de rayos a lo largo del corredor de la línea, la variación de la altura de los conductores a lo largo de los vanos y la topografía del sitio de cada torre. Los resultados indican que con el nuevo método es posible reflejar la variación en la probabilidad de la falla de apantallamiento para cada torre a lo largo de la línea; por lo tanto, puede servir de base para una aplicación informática que permita identificar los puntos que, a lo largo de la línea son susceptibles de causar fallas. Esto representaría una útil herramienta para la toma de decisiones durante el diseño y operación de líneas de transmisión.
Monitorización no intrusiva de carga para caracterización de consumos en redes eléctricas inteligentes
(Universidad del Norte, 2014) Racines Hidalgo, Diana Lucía; Cándelo Becerra, John Edwin
La modernización de las redes eléctricas hacia redes eléctricas inteligentes implica la implementación de nuevas herramientas y tecnologías a lo largo de todos los agentes que conforman el sistema, abriendo paso al desarrollo de nuevas funcionalidades. En el marco de esta tendencia de modernización, la presente tesis documenta la investigación llevada a cabo para el desarrollo de una herramienta útil para el usuario final del servicio de energía eléctrica. En este sentido, el interés es desarrollar un modelo que permita realizar un monitoreo no intrusivo de una instalación eléctrica, de tal forma que en todo momento se pueda conocer la forma como esta consume energía sin necesidad de realizar una medición directa sobre cada carga que la conforma. El modelo propuesto involucra el uso de dos tipos de redes neuronales artificiales, las cuales son desarrolladas empleando como datos de entrada varias combinaciones de parámetros eléctricos. Los diferentes casos realizados son evaluados con el fin de establecer los parámetros que generan un mejor desempeño del modelo. Las pruebas realizadas al modelo propuesto muestran que es posible establecer satisfactoriamente el estado de operación de las cargas que conforman una instalación, de tal forma que su consumo de energía eléctrica pueda ser caracterizado.
Balance de cargas a nivel de distribución secundaria con aplicación a Smart Grid
(Universidad del Norte, 2016) Arias Puertas, Jorge Alberto; Calle Torres, María Gabriela
Una de las causas que disminuyen la eficiencia en circuitos corresponde al desbalance de cargas. Las pérdidas técnicas en transformadores y redes de distribución están relacionadas con la intensidad de corriente circulante, no de forma lineal sino cuadrática. Los circuitos desbalanceados presentan niveles superiores de pérdidas por conducción en las fases con cargas mayores y por el incremento de corriente en el conductor de neutro. Balancear de manera adecuada las cantidades de energía que circulan a través de las fases de un sistema de distribución disminuye este valor. En este trabajo se utilizan técnicas de optimización y algoritmos de programación lineal entera para balancear cargas monofásicas de un alimentador, un nodo o un transformador de distribución, teniendo en cuenta el histórico de consumo de energía en varios periodos de tiempo. Los resultados muestran que el método de Branch and Bound aplicado al algoritmo de balance de energía permite disminuir el factor de pérdidas sobre diferentes perfiles de carga en diferentes instantes de tiempo. Durante el proyecto también se probaron algoritmos como Fuerza Bruta, Secuenciación de trabajos en máquinas y Knapsack, los cuales permiten realizar balances de energía en un solo instante de tiempo.
Hybrid Renewable Energy System Based On Intelligent Optimization Techniques
(Universidad del Norte, 2017) Donado Mercado, Katheryn; Quintero Monroy, Christian Giovanny
La energía renovable tiene como objetivo generar más energía ecológica y no contaminante y para eso, son esenciales para el desarrollo sostenible de la sociedad. La generación con energías renovables debe tener en cuenta las deficiencias y limitaciones que surgen debido a la capacidad intermitente de la fuente de alimentación. Los sistemas híbridos de energía renovable basados en recursos solares y eólicos son los sistemas de energía de generación más prometedores debido a su complementariedad para explotar los recursos naturales; sin embargo, la instalación de un sistema híbrido solar-eólico depende de las condiciones climáticas y eso hace que la dimensión del sistema sea compleja. Un diseño óptimo del sistema híbrido a ser implementado se vuelve crítico para tener la mejor relación costo-confiabilidad. La aplicación de técnicas de optimización inteligente hace posible encontrar un diseño óptimo en un momento adecuado. La literatura muestra que la técnica de optimización más utilizada es la de los algoritmos genéticos. Esta tesis de maestría, propone utilizar tecnologías inteligentes para dimensionar de manera óptima un sistema híbrido de energía renovable que utiliza energía solar y eólica. El enfoque propuesto requiere la configuración del sistema, proporcionar o no conexión a la red, almacenamiento de la batería y los enfoques de optimización. Se presentan los resultados experimentales y las conclusiones que enfatizan las ventajas de las técnicas de optimización inteligentes para la mejora de los sistemas híbridos de energía renovable.
Design and Analysis of a Wave Energy Converter of Point Absorber Type for the Energy Extraction from the Waves
(Universidad del Norte, 2019) Pimienta Martínez, Carlos E.; Oliveros Pantoja, Ingrid
The generation of electric power from ocean waves has been in constant technological growth during the last decades, for being a clean source of abundant and renewable energy. However, the existing systems are extensive in size and cost. Thus, in this thesis, a design methodology for the construction of a wave energy prototype is developed. The proposed device is a slider-crank mechanism connected to a spherical buoy. The buoy, situated on the surface of the water, takes advantage of the vertical movement of the waves converting their oscillation movement into a rotational motion that actuates over the shaft of the armature coils within the generator to obtain electric power. The design of the mechanical components was conducted by the application of the principle of Virtual Work and D'Alembert, which allowed the determination of the dynamical model of the system; then, using these results, the mass and inertia of each element were obtained by an optimization procedure using the Optimization Toolbox of Matlab. Lastly, the results of the mathematical model were validated by experimentation in a scaled prototype of the dispositive.
Métodos de diferenciación exponencial en el dominio del tiempo para el análisis de estabilidad angular
(Universidad del Norte, 2017) Cayón Orozco, José Mario; Orozco Henao, César Augusto
Power system controller tuning considering stochastic variations
(Universidad del Norte, 2017) Turizo Arteaga, Daniel José; Guerrero Sedeño, Javier; Orozco Henao, César Augusto
Intelligent system for non-technical losses management in electricity users
(Universidad del Norte, 2017) González Rodríguez, Rubén Darío; Quintero Monroy, Christian Giovanny

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