Multiple Partial Discharge Source Localization in Power Cables Through Power Spectral Separation and Time-Domain Reflectometry

G. Robles, M. Shafiq and J. M. Martínez-Tarifa, “Multiple Partial Discharge Source Localization in Power Cables Through Power Spectral Separation and Time-Domain Reflectometry,” in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. doi: 10.1109/TIM.2019.2896553

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https://doi.org/10.1109/TIM.2019.2896553

 

Abstract— Insulated power cables are becoming increasingly popular in today’s developing distribution and transportion networks. However, due to aging, deterioration, and various operational and environmental stresses, insulation defects may appear and so the cable needs to be monitored in a timely manner to avoid unexpected failures. Many of these defects are responsible for partial discharge (PD) activity. The localization of the sources of these discharges is a highly decisive facet in the condition-based monitoring of power cables. The techniques for the localization of single-PD defects in insulated power cables are well presented in the current bibliography. However, when several simultaneous PD sources are active, the localization of the sources becomes quite complex. This paper develops an efficient technique for the separation and localization of multiple PD sources in a medium voltage cable. The experimental results are obtained with single-end-based measurements using a high-frequency current transformer in a laboratory environment. The data processing based on the spectral characteristics of the signals is carried out by using the power ratios technique in order to determine the presence of different types of PD. Once the signals are separated, the PD sources can be localized with an individualized analysis of each source through time-domain reflectometry. The proposed methodology can be very valuable to improve the location diagnostic capability of the condition-based monitoring solutions, especially for underground cables.

Keywords— Condition monitoring; partial discharges (PDs); particle swarm optimization (PSO); power cables; signal characterization; signal propagation; spectral power ratios (PRs); time-domain reflectometry (TDR).

Oferta de beca de investigador predoctoral (cerrada)

Esta convocatoria está ya cerrada pero es posible que salgan nuevas ofertas en el futuro que publicaré en el blog.

 

Beca de investigador predoctoral en el Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Carlos III de Madrid para el desarrollo de un Sistema de adquisición y análisis de datos de aerogeneradores para el mantenimiento basado en la condición del equipo.

En los últimos años se ha implantado una gran infraestructura de generación eléctrica cuya fuente primaria es la energía eólica. En el caso de España, se podría de decir que en términos de cobertura de demanda, la solución aportada es pionera, por lo consolidado de la tecnología empleada. Sin embargo, poco se sabe acerca de los mecanismos de degradación específicos que pueden afectar a los aerogeneradores que, en el caso de nuestro país, empiezan a encontrarse con un historial de una o dos décadas de operación continua, y por tanto, con los primeros fallos inesperados.

El departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Carlos III de Madrid (DIE-UC3M) es uno de los más destacados en investigación a nivel nacional en el ámbito de la energía eólica, con gran experiencia en la operación, control e integración de esta fuente energética. También tiene un grupo de investigación dedicado al diagnóstico de cables y máquinas eléctricas con una larga trayectoria en el estudio de sistemas de degradación de aislamientos eléctricos. Sin embargo, no hay ningún investigador con disponibilidad completa para abrir una línea de investigación conjunta que permitiera trabajar con la perspectiva más real e interdisciplinar posible.

La supervisión del investigador se realizará de forma simultánea entre investigadores de ambos grupos de investigación de UC3M, aunque siempre se tendrá en consideración la perspectiva de la empresa colaboradora. Se buscará la divulgación en revistas de alto impacto internacional al igual que la protección industrial de los equipos que pudieran ser de interés para empresas.

El grupo DIAMAT tiene a su completa disposición el laboratorio de investigación y ensayos en alta tensión (LINEALT), perteneciente a la red de laboratorios (nº28) de la Comunidad de Madrid. Esta infraestructura permite hacer ensayos adecuados sobre materiales aislantes, los más sensibles a envejecimiento de cualquier activo eléctrico. También dispone de sistemas de instrumentación para la medida y adquisición de datos en distintos rangos de frecuencia de muestreo, canales de entrada, resolución y ancho de banda. Cuenta con sensores inductivos, capacitivos y electromagnéticos para la medida de variables eléctricas. Dispone de equipos comerciales para la monitorización de descargas parciales en máquinas eléctricas y medida de resistencia de aislamiento y tangente de delta. Además, cuenta con el software necesario para la adquisición y análisis de datos. El candidato tendrá su puesto personal con su ordenador en uno de los despachos comunes del departamento y su puesto asignado en el laboratorio de alta tensión.

El trabajo a realizar es el diseño de un sistema de adquisición de datos de 10+3 canales con procesador y capacidad de almacenamiento y comunicación inalámbrica. La etapa de proceso de datos y la programación de los algoritmos de análisis de los datos debe ser en Python o C. La comunicación y las peticiones externas serán mediante una tarjeta de comunicaciones telefónicas, WiFi y NFC (near field comunications)

Es deseable, pero no imprescindible, que el perfil del candidato cumpla con los siguientes requisitos:

  • Se valorarán estudios de Ingeniería o Grado en Ingeniería, preferiblemente en especialidad o intensificación eléctrica, electrónica o telecomunicaciones.
  • Se valorará estar en posesión de un Máster en un área tecnológica.
  • Preferible experiencia laboral en el sector de las energías renovables, en concreto en el mantenimiento de aerogeneradores o en mantenimiento eléctrico en general.
  • Se requiere un elevado grado de motivación e iniciativa para llevar a cabo las tareas asignadas.
  • Se valorarán conocimientos generales de:
  1. Instrumentación y medida.
  2. Sistemas de adquisición de datos.
  3. Acondicionamiento y proceso de señal.
  4. Técnicas de clasificación de datos. Machine Learning.
  5. Matlab y Simulink.
  6. Programación en Python y C. Conocimientos de LINUX
  7. Desarrollo de circuitos lógicos para FPGAs en VHDL.
  8. Programación de microprocesadores: ATMEGA, ARM, PIC.

Muy importante

Esta oferta saldrá publicada también en la página web de la UC3M. Para que las solicitudes sean vinculadas, los candidatos deben solicitar la plaza tanto en el portal de empleo Madrimasd, como en la oferta de plazas de la UC3M que se publicará en el siguiente enlace:

http://portal.uc3m.es/portal/page/portal/inicio/universidad/empleo_universidad/personal_docente_e_investigador/contratos_predoc_proy_inv

Los candidatos deben estar inscritos en el Fichero del Sistema de Garantía Juvenil (http://www.sepe.es/garantiajuvenil/es/accesoJovenes.html

Classification and localization of electromagnetic and ultrasonic pulsed emitters

[pdf] Classification and localization of electromagnetic and ultrasonic pulsed emitters
Outstanding Thesis Award Recipient 2017-2018 Edition
Director(es): Robles, Guillermo
Departamento/Instituto: Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Ingeniería Eléctrica
Titulación: Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática
Fecha de edición: 2017-12
Fecha de defensa: 2017-12-18
Tribunal: Presidente: Andrea Cavallini.- Secretario: José Antonio García Souto.- Vocal: Iliana Portugués Peters
Palabras clave: Ultrasonic pulsed emitters , Electromagnetic waves , Radiative sources , Signal processing , Algorithms , Monte Carlo methods
Derechos: Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España

Abstract  – The localization of radiative sources is very important in many fields of work such as: sonar, radar and underwater radar, indoor localization in wireless networks, earthquake epicenter localization, defective assets localization in electrical facilities and so forth. In the process of locating radiative sources exist many issues which can provoke errors in the localization. The signals acquired may belong to different sources or they can be mixed with environmental noise, then, their separation before using localization algorithms is of great interest to be efficient and accurate in the computational process. Furthermore, the geometry and radiation characteristics of the receivers, the nature of the signal or their measuring process may cause deviations in the signal onset calculus and therefore the source localization could be displaced from the actual position. In this thesis, there are three kinds of algorithms to undertake three steps in the emitter localization: signal separation, onset and time delay estimation of the signals and source localization. For each step, in order to reduce the error in the localization, several algorithms are analyzed and compared in each application, to choose the most reliable. As the first step, to separate different kinds of signals is of interest to facilitate further processing. In this thesis, different optimization techniques are presented over the power ratio (PR) maps method. The PR uses a selective spectral signal characterization to extract the features of the analyzed signals. The technique identifies automatically the most representative frequency bands which report a great separation of the different kinds of signals in the PR map. After separating and selecting the signals, it is of interest to compare the algorithms to calculate the onset and time delay of the pulsed signals to know their performance because the time variables are inputs to the most common triangulation algorithms to locate radiative and ultrasonic sources. An overview of the algorithms used to estimate the time of flight (ToF) and time differences of arrival (TDoA) of pulsed signals is done in this thesis. In the comparison, there is also a new algorithm based on statics of high order, which is proposed in this thesis. The survey of their performance is done applied to muscle deep estimation, localization in one dimension (1D), and for the localization of emitters in three dimensions (3D). The results show how the presented algorithm yields great results. As the last step in the radiative source localization, the formulation and principle of work of both iterative and non-iterative triangulation algorithms are presented. A new algorithm is presented as a combination of two already existing improving their performance when working alone. All the algorithms, the proposed and the previous which already exist, are compared in terms of accuracy and computational time. The proposed algorithm reports good results in terms of accuracy and it is one of the fastest in computational time. Once the localization is achieved, it is of great interest to understand how the errors in the determination of the onset of the signals are propagated in the emitter localization. The triangulation algorithms estimate the radiative source position using time variables as inputs: ToF, TDoA or pseudo time of flight (pToF) and the receiver positions. The propagation of the errors in the time variables to the radiative source localization is done in two dimensions (2D) and 3D. New spherical diagrams have been created to represent the directions where the localization is more or less sensible to the errors. This study and their sphere diagrams are presented for several antenna layouts. Finally, how the errors in the positioning of the receivers are propagated to the emitter localization is analyzed. In this study, the effect in the propagation of both the relative distance from the receivers to the emitter and the direction between them has been characterized. The propagation of the error considering the direction is also represented in spherical diagrams. For a preferred direction identified in the spheres, the propagated error in the source localization has been quantified regarding both the source distance and the magnitude of the errors in the receivers positioning.

Compensación de reactiva en sistemas monofásicos

El siguiente documento muestra cómo compensar toda la reactiva en tres casos diferentes:

  1. La carga está conectada directamente al generador.
  2. La carga está conectada al generador por una línea con impedancia y la tensión del generador permanece constante.
  3. La carga está conectada al generador por una línea con impedancia y la tensión de la carga permanece constante.

En todos los casos, la capacidad que hay que poner para compensar toda la reactiva es la misma ya que la impedancia de la carga no cambia.

También se demuestra de dónde se obtiene la ecuación que permite calcular la capacidad que compensa la reactiva a cualquier factor de potencia \cos\varphi':

    \[C=P\frac{\tan\varphi-\tan\varphi'}{V_c^2\omega}\]

y por qué es posible utilizarla en cualquier caso aunque la tensión de la carga varíe al conectar un condensador en paralelo.

Compensación de reactiva (pdf)

 

Designing a Rogowski coil with particle swarm optimization

Guillermo Robles; Muhammad Shafiq; Juan Manuel Martínez-Tarifa, Designing a Rogowski coil with particle swarm optimization, November 2018, Proceedings of the 5th International Electronic Conference on Sensors and Applications session Physical Sensors (doi: 10.3390/ecsa-5-05721)

Open access at https://sciforum.net/paper/view/conference/5721

Abstract—Rogowski coils are inductive sensors based on Faraday’s and Ampère’s Laws to measure currents through conductors without galvanic contact. The main advantage of Rogowski coils when compared with current transformers is the fact that the core is air so they never saturate and the upper cut-off current can be higher. These characteristics makes Rogowski coils ideal candidates to measure high amplitude pulsed currents. On the contrary, there are two main drawbacks. On the one hand, the output voltage is the derivative of the primary current so it has to be integrated to measure the original signal; and, on the other hand, the transfer function is resonant due to the capacitance and the self-inductance of the coil. The solution is the use of a passive integration with a terminating resistor at the output of the sensor that splits the two complex poles and gives a constant transfer function for a determined bandwidth. The downside is a loss of sensitivity. Since it is possible to calculate the electrical parameters of the coil based on its geometrical dimensions, the geometry can be  adapted to design sensors for different applications depending on the time characteristics of the input current. This paper proposes the design of Rogowski coils based on their geometric characteristics maximizing the gain-bandwidth product using particle swarm optimization and adapting the coil to the specific requirements of the application.

Keywords—Rogowski coils; particle swarm optimization; gain-bandwidth product; current
measurement; magnetic field measurement.

 

20 puestos de especialización para jóvenes ingenieros y físicos aplicados en la 4ª convocatoria del Spanish Traineeship Programme, CIEMAT-CERN

En los próximos días, se abrirá la cuarta convocatoria del Spanish Traineeship Programme, FTEC-2018, un programa de especialización tecnológica en el CERN, Ginebra, Suiza, destinado a jóvenes ingenieros y físicos aplicados.

La convocatoria tiene como objetivo incrementar la presencia de investigadores y técnicos españoles en el CERN, así como consolidar un colectivo de ingenieros y físicos especializados en tecnologías de los grandes aceleradores de partículas, detectores e infraestructuras asociadas, con la finalidad de una futura incorporación a la industria e instituciones del sector.

Podéis encontrar más información en:

http://www.ciemat.es/portal.do?IDM=61&NM=2&identificador=1663

 

Online condition monitoring of MV cable feeders using Rogowski coil sensors for PD measurements

M. Shafiq, K. Kauhaniemi, G. Robles, M. Isa, L. Kumpulainen, “Online condition monitoring of MV cable feeders using Rogowski coil sensors for PD measurements”, Electric Power Systems Research, Volume 167, February 2019, Pages 150-162, ISSN 0378-7796,

https://doi.org/10.1016/j.epsr.2018.10.038.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378779618303614

Abstract— Condition monitoring is a highly effective prognostic tool for incipient insulation degradation to avoid sudden failures of electrical components and to keep the power network in operation. Improved operational performance of the sensors and effective measurement techniques could enable the development of a robust monitoring system. This paper addresses two main aspects of condition monitoring: an enhanced design of an induction sensor that has the capability of measuring partial discharge (PD) signals emerging simultaneously from medium voltage cables and transformers, and an integrated monitoring system that enables the monitoring of a wider part of the cable feeder. Having described the conventional practices along with the authors’ own experiences and research on non-intrusive solutions, this paper proposes an optimum design of a Rogowski coil that can measure the PD signals from medium voltage cables, its accessories, and the distribution transformers. The proposed PD monitoring scheme is implemented using the directional sensitivity capability of Rogowski coils and a suitable sensor installation scheme that leads to the development of an integrated monitoring model for the components of a MV cable feeder. Furthermore, the paper presents forethought regarding huge amount of PD data from various sensors using a simplified and practical approach. In the perspective of today’s changing grid, the presented idea of integrated monitoring practices provide a concept towards automated condition monitoring.

Keywords—Condition monitoring; Rogowski coil; Dielectric insulation; Partial discharge; Medium voltage cable; Transformer.

Becas de formación en el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial

Se han convocado 32 becas de formación en el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial para titulados universitarios dotadas con 12.000 euros anuales a razón de 1.000 euros brutos mensuales. La duración de las becas será de dos años, pudiendo ser prorrogadas, por un año más, siempre que el plan formativo lo contemple y exista disponibilidad presupuestaria.

La cumplimentación y presentación de las solicitudes se realizará, preferentemente, a través de los medios electrónicos habilitados para ello en la Sede Electrónica Central del Ministerio de Defensa en la dirección http://sede.defensa.gob.es/acceda/ en el enlace “Procedimientos” “INTA-Becas” (se recomienda utilizar CL@VE). La fecha límite es el día 16 de noviembre de 2018.

La solicitud estará cumplimentada, correctamente una vez que se haya firmado la solicitud y se obtenga un justificante en pdf con el sello del registro electrónico del Ministerio de Defensa. También podrán presentarse en el Registro General del INTA en Ctra. de Torrejón-Ajalvir Km. 4, 28850-Torrejón de Ardoz (Madrid), o en cualquiera de los lugares previstos en el artículo 16.4 de Ley 39/2015, de 1 de octubre, del Procedimiento Administrativo Común de las Administraciones Públicas.

Más información en:

http://inta.es/opencms/export/sites/default/INTA/es/bolsa-de-empleo/oportunidad_1540801208086/

Y en el BOE del sábado 27 de octubre.

 

Partial Discharge Signal Propagation in Medium Voltage Branched Cable Feeder

M. Shafiq, K. Kauhaniemi, G. Robles, G. A. Hussain and L. Kumpulainen, “Partial discharge signal propagation in medium voltage branched cable feeder,” in IEEE Electrical Insulation Magazine, vol. 34, no. 6, pp. 18-29, November-December 2018.

http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=8507714&isnumber=8507707

doi: 10.1109/MEI.2018.8507714

Abstract— Rising global and regional electricity use is accelerating the need to upgrade networks. The adoption of sustainable ways of energy generation (renewables energy resources) is the top priority of today’s grid, and these resources are predominantly embedded within the distribution networks that are mostly connected by medium voltage (MV) cables. Driven by urbanization trends, negative land value impacts, public safety, environmental aesthetics, and network reliability, the resistance to overhead lines in distribution networks is gradually increasing in many countries. Either choosing the proactive path considering the operational superiority of underground cables compared with overhead lines or following the ongoing legislative policies, the use of cables has been increasing rapidly over the past 30 years. This trend is likely to accelerate.

Keywords— Power cables; Partial discharges; Power cable insulation; Cable shielding; Current measurement; Voltage measurement; Medium voltage; Condition monitoring; Cables; Branch; Joint; Diagnostic; Sensor},

 

Energy harvesting for a smart sensor with NFC capability

Autor/Author: Javier Molina
Director/Supervisor: Guillermo Robles
Master Thesis Document in pdf.

 

Abstract – Modern life’s concerns regarding unnecessary energy wasting and the unstoppable development of electrical engineering gave birth to the concept of energy harvesting. All this, along with an overwhelming number of internet connected devices, make necessary new smart devices to make easier our lives not only at home but also in industrial environments. Throughout this project, the feasibility of using a Peltier cell as a thermoelectric generator is discussed in order to scavenge energy from a heat source. This project aims at using this system in dicult access locations to create a smart sustainable system that can keep track of relevant parameters such as temperature, pressure or radiation. By implementing this self-powered system, there is no need to replace batteries when fully discharged, it is only necessary collect the data when required. In particular, this Peltier cell supplies an energy harvester module that powers a standalone microcontroller to establish a communication with a NFC module. This device embedded with a NFC tag will store the parameters measured by a sensor. This novel approach is intended to allow any NFC enabled device such as any modern smartphone to access this data to be subsequently analised and take action when needed.

 

Resumen – Las preocupaciones de hoy en da con respecto al consumo abusivo energetico sumado al gran desarollo reciente de la ingeniera electrica y electronica han dado como fruto el concepto de energy harvesting. Ademas, el mundo en el que vivimos con un mayor numero de dispositivos conectados a internet hacen necesario dispositivos inteligentes para facilitar nuestras vidas, no solo en casa, si no tambien en el entorno industrial. En este proyecto se expone la viabilidad de usar una celula Peltier que es un dispositivo termoeléctrico para proporcionar energa a partir de una fuente de calor. Este proyecto persigue usar este sistema en sitios de difcil acceso y crear un sistema sostenible que lleve a cabo un sistema de recogida de datos, como temperatura o presion. La ventaja que ofrece un sistema como este es que no es necesario cambiar la batera, puesto que el sistema se autoalimenta. Concretamente, la celula Peltier suministra energa a un modulo de almacenamiento que establece una comunicacion con un modulo NFC. Este dispositivo contiene una etiqueta NFC que almacena los datos recogidos por un sensor. Este enfoque permite a cualquier operario con un dispostivo que permita la lectura de etiquetas NFC, como por ejemplo cualquier smartphone moderno, acceder a estos datos para analizarlos y tomar decisiones si es necesario.