Abstract: The constant evolution of power systems and their protection and control systems has brought the need to investigate different concepts that could help improve the implementation and testing of protection and control systems during the complete lifecycle of electrical substations. Centralized protection and control system is a concept that has been under study for many years already but has gained more force lately, thanks to the evolution of computing technology and the more substantial influence of the standard IEC61850 in electrical substations. This thesis has studied the centralized protection and control systems starting with the development of a market availably. The result shows that even though the general concept between the available systems is the same, the specific architecture depends on the technology used to implement the centralized concept. The result also shows that the two technologies leading the market availability are the SASensor from Locamation and the SSC600 from ABB. The technologies virtualization and Synaptec’s Refase system are also investigated in this thesis. Protection and control test methodologies do also depend on the technology to be tested. Therefore, this thesis shows an overall protection and control testing lifecycle analysis of a centralized protection and control system. The architecture of the reference system used for the testing lifecycle evaluation has similarities to a decentralized digital substation architecture. Using that kind of architecture allows fully IEC61850 based protection and control testing, as the results have shown it. Therefore, knowledge, tools, and procedures developed for decentralized digital substations also apply to the centralized concept. The last part of this work presents a practical application example that uses the SSC600 as a protection and control central unit. The device configuration is based on a power system example designed for the thesis. The IEC61850 system engineering of the system and test procedures are part of the results of the practical part.

Abstract: Perennial ryegrass (Lolium perenne) is the predominant forage crop in the equatorial highland zones of Colombia due to its high nutritional value and versatility to produce both milk and meat. This study aimed to determine the relationship between the relative depletion of usable soil water and the Ks values of canopy expansion and closure stomatal of perennial ryegrass, as well as to identify the threshold values of water stress. The experiment was carried out in pots under a controlled environment condition. These pots were arranged in a completely randomized manner. The experiment consisted of five treatments—including control treatment—of water deficits in the soil that progressively increased the depletion level as the crop cycle developed. This generated a wide range of conditions in the growth stages. For each treatment, four repetitions were performed Biomass production was significantly affected by water stress. The results show that the upper and lower thresholds of Ks were 0.28 and 1.3 of the depletion level (p) of the total available water (TAW) in the soil for the expansion of the canopy (CE), and 0.25 and 1.1 p of the TAW for stomatal closure (gs). Quadratic functions were fitted for both the CE (R2 = 0.72) and CS (R2 = 0.73); moreover, the Ks function of FAO-AquaCrop with positive shape factor (sf) was as follows: sf = 11, RMSE 0.22 for CE, and sf = 4.3, RMSE 0.19 for gs. Our results indicate that ryegrass is moderately sensitive to water stress. The differences found between the Ks function of FAO and the experimental data call for the need to use modeling with parameters adapted for each case. Resumen: El raigrás perenne (Lolium perenne) es el cultivo forrajero predominante en las zonas altas ecuatoriales de Colombia debido a su alto valor nutricional y versatilidad para producir tanto leche como carne. Este estudio tuvo como objetivo determinar la relación entre el agotamiento relativo del agua utilizable del suelo y los valores de Ks de la expansión del dosel y el cierre estomático del raigrás perenne, así como identificar los valores de los umbrales de estrés hídrico. El experimento se llevó a cabo en macetas en condiciones de ambiente controlado. Estas macetas se dispusieron de forma completamente aleatoria. El experimento consistió en cinco tratamientos, incluido el tratamiento de control, de déficit de agua en el suelo que aumentaron progresivamente el nivel de agotamiento a medida que se desarrollaba el ciclo del cultivo. Esto generó una amplia gama de condiciones en las etapas de crecimiento. Para cada tratamiento se realizaron cuatro repeticiones. La producción de biomasa se vio significativamente afectada por el estrés hídrico. Los resultados muestran que los umbrales superior e inferior de Ks fueron 0.28 y 1.3 del nivel de agotamiento (p) del agua total disponible (AAT) en el suelo para la expansión del dosel (ED), y 0.25 y 1.1 p del AAT para cierre de estomas (gs). Se ajustaron funciones cuadráticas tanto para ED (R2 = 0,72) como para cierre de estomas gs (R2 = 0,73); además, la función Ks de FAO-AquaCrop con factor de forma positivo (Ff) fue la siguiente: Ff = 11, RMSE 0,22 para ED y Ff = 4,3, RMSE 0,19 para gs. Nuestros resultados indican que el raigrás es moderadamente sensible al estrés hídrico. Las diferencias encontradas entre la función Ks de FAO y los datos experimentales hacen necesaria la utilización de modelos con parámetros adaptados a cada caso.

Abstract: In the present work, theoretical and experimental analysis of the thermal performance of flat plate pulsating heat pipes, made of copper, are presented. The pulsating heat pipes were manufactured using an innovative fabrication process for this application, the diffusion bonding. For this purpose, a special oven was used, available in Labtucal, that provides high temperature, high pressure and high vacuum conditions, which allows the fabrication of monolithic pieces with high reliability. Plates of equal external size were used, in which the internal channels were modified. Different geometries were applied, including the variation of the number of channels for the same overall dimensions (density increase), modifications of the surface finishing (roughness) and addition of lateral grooves at evaporator section. Flat plate pulsating heat pipes were tested under different operating conditions, such as tilt angles, heat input levels, and filling ratios, concluding that higher roughness or grooves at evaporator zone enhance the thermal performance of the devices, as start-up time, thermal resistance and thermal stability. However, the most relevant parameters, to decrease the dependence of the gravity in the operation of the pulsating heat pipe, are the number of channels and the working fluid filling ratios. A mathematical model, based on electrical circuit analogy, is constructed, taking into consideration the activation energy. Model validation was made with the experimental date obtained from the devices developed in this thesis. The model presented a maximum error of 25-30%, at vertical bottom heat mode and vertical top heat mode. The main contributions of this Ph.D. thesis are: the development of modified pulsating heat pipes using effective thermal improvements; the production of a reliable fabrication process compatible with the proposed thermal enhancements and, finally, a model that can be used as a design tool for pulsating heat pipes fabricated from machined plates. Resumen: En el presente trabajo, se realiza un análisis teórico y experimental del desempeño térmico de tubos de calor pulsantes de placa plana, fabricados en cobre. Los tubos de calor pulsantes fueron fabricados utilizando un proceso de fabricación innovador para esta aplicación, la difusión vinculación. Para ello se utilizó un horno especial, disponible en Labtucal, que proporciona alta temperatura, alta presión y alto vacío, lo que permite la fabricación de piezas monolíticas de alta confiabilidad. Se utilizaron placas de igual tamaño externo, en las que el Se modificaron los canales internos. Se aplicaron diferentes geometrías, incluyendo la variación de el número de canales para las mismas dimensiones generales (aumento de densidad), modificaciones del acabado superficial (rugosidad) y adición de ranuras laterales en la sección del evaporador. placa plana Los tubos de calor pulsantes se probaron en diferentes condiciones de funcionamiento, como ángulos de inclinación, calor suministrado, relaciones de llenado, concluyendo que una mayor rugosidad o ranuras en la zona del evaporador mejora el rendimiento térmico de los dispositivos, como el tiempo de inicio de operación, la resistencia térmica y la estabilidad de la temperatura. Sin embargo, los parámetros más relevantes, para disminuir la dependencia de la gravedad en el funcionamiento del tubo de calor pulsante, fueron el número de canales y las proporciones del llenado de fluido de trabajo. Se construye un modelo matemático, basado en la analogía del circuito eléctrico, tomando en Consideración la energía de activación. La validación del modelo se realizó con los datos experimentales obtenidos a partir de los dispositivos desarrollados en esta tesis. Las principales contribuciones de este doctorado tesis son: el desarrollo de tubos de calor pulsantes modificados utilizando mejoras térmicasla producción de un proceso de fabricación confiable y un modelo que se puede utilizar como herramienta de diseño.

Resumen: Los puentes atirantados son una tipología muy eficiente que posee agradables atributos estéticos. En los últimos años ha emergido como el sistema dominante para puentes de grandes luces, hasta 1200 m gracias a la combinación de distintos avances tecnológicos que la han convertido en muy competitiva. Aparte de la estabilidad aerodinámica, para esta tipología es relevante el estudio de la estabilidad del equilibrio elástico global y local del tablero frente a las cargas de compresión que se generan por el esquema de atirantamiento. En este trabajo se presenta un estudio paramétrico en puentes atirantados que permite identificar y evaluar un rango de luces donde los fenómenos de inestabilidad global del tablero son significativos. Para lograr este análisis se plantean varios objetivos, inicialmente de estudio, luego de modelación e identificación de rangos y finalmente de análisis y conclusiones. Los temas estudiados para el estado del conocimiento son la evolución del proyecto de tableros de puentes atirantados metálicos y mixtos en función de la luz, así como la tipología de tableros en función de la luz del tablero frente a los fenómenos de inestabilidad global. Para la modelización del tablero se considera el modelo de viga sobre cimentación elástica o modelo de Winkler con módulo de reacción constante y variable, junto con esfuerzos axiles de variación constante y variable. Con los resultados obtenidos se identifican rangos de luces donde la inestabilidad es importante para el análisis, al cual se le evalúan sus efectos no lineales y su posible repercusión en el proyecto del tablero.

Abstract: The standard IEC 61400-1, v.4.0 proposes at appendix J a method to determine the probability of extreme winds, based on the simulation of artificial cyclones and the theory of gradient wind. This method considers marginal statistical distributions for 5 main descriptors of cyclones (pressure depth, radius of maximum wind speed, translation speed, angle to the point of reference and mini-mum distance), a “modified orthogonal decomposition” to generate artificial cyclones and its own formulas to determine surface wind, cumulative probabilities and annual maximum surface wind. This research pursued to implement and to validate the standard at North West Pacific. Due to the difficulty and highly empirical elements of IEC 61400-1, v.4.0, it was required to modify it and include in the model other inputs such as well known statistical distributions after testing them, Nataf trans-formation (ERANataf) to generate artificial cyclones and empirical cumulative distribution functions to determine the probability of annual maximum surface wind. For the verification and validation, the results of 9 locations distributed in South Korea, Japan, HongKong and Taiwan were compared with the database of the Joint Typhoon Warning Center and theRSMC-Tokyo. The implementation of this research underestimated surface wind in all the locations.Simultaneously, the greatest contribution of input variables to sensitivity was more frequent from super index B of Holland. It would be desirable to continue validating this standard (that is presumed to have a global application), to understand the challenges of its theory during the computation of surface wind from gradient wind and to overcome the issues of its implementation.

Abstract: Essential Tremor (ET) is the most frequent movement disorder in adults. Upper-limb exoskeletons are a promising solution to alleviate ET symptoms. We propose a novel wrist exoskeleton for tremor damping. The TuMove exoskeleton is light-weight, portable, easy to use, and designed for ADLs and activities requiring hand dexterity. We validated the effectiveness of our exoskeleton by inducing forearm tremors using TENS on 5 healthy subjects. Our results show that wrist ranges are generally kept in most of the ROM needed in ADLs. The damping system reduced more than 30% of the tremor's angular velocity during drinking and pouring tasks. Furthermore, the completion time of the Archimedes spiral was decreased by 2.76 seconds (13.0%) and for the 9-Hole-Peg-Test by 2.77 seconds (11.8 %), indicating a performance improvement in dexterity tasks.

hina’s air pollution has reached a critical state, and is characterized by heavy coal smoke and a wide presence of ozone and particulate matter (PM2.5). From 2011, through the 12th five year plan, the prevention and control of air pollution entered a new ‘transition stage’ guided by the principles of sustainability and energy conservation, and also intensified by pressure from the society. This article is divided into two parts: first, it introduces the most important changes, problems and advances during this transition, including a brief explanation of the policy mechanisms. Second, it illustrates how research in the area of Science and Technology Studies (STS) can bring about new ways to understand the problems of the knowledge-policy and public engagement of air pollution in China.

A technological and environmental alternative has been studied for about a decade to reduce the consumption of coal. It consists of substitute one part of the coal by biomass (neutral generated of CO2) in a co-_ring process. The co-_ring process consists of the controlled combustion of two or more fuels in the same burner. According to research performed in the US and Europe this process has economic and technical viability. And depending on the characteristics of the fuel, this process can contribute reducing the greenhouse gases (GHG). This thesis presents a methodological proposal to analyze and evaluate a thermoelectric power plant from the exergoenviromental point of view, operating in co-_ring process and using coal and biomass. The boundary of the problem is composed by the power plant and the technological paths to obtain and manipulate the fuels. Exergy is used in the thermodynamic analysis and the life cycle assessment method is proposed to quantify the environmental impact. The climate change category was used following the global warming potential index. Two scenarios were evaluated: scenario A corresponds to the power plant operating with 100% coal and scenario B corresponds to the power plant operating in co-_ring with 90% of coal and 10% of biomass. The technological route used for the coal is established between the southern mineral region of the state of Santa Catarina and the Jorge Lacerda thermoelectric power plant complex, which is located at Capivari de Baixo. The information utilized for the biomass path was obtained from the research performed in the thermoelectric power plant complex. The purpose of this task was to use the biomass from the rice farms as fuel. The analysis showed that the power plant is largely responsible for exergy destruction. Moreover it has the largest generated impact associated with the analyzed category. From these results, an exergoenvironmental analysis for the representative thermodynamic cycle was performed. The results showed that the boiler constitutes the equipment with the largest potential of improvement.  Finally, an exergoenvironmental global index was proposed to compare the exergoenvironmental impact of the thermoelectric generation process for both scenarios, which were compared with Carnot cycle scenario. The exergoenvironmental global index showed that 11% improvement is possible for the scenario B when compared with scenario A without taking in account the biomass microbial decomposition and up to the 35% when the decomposition was considered.

El concepto de Internet of Things (IoT por sus siglas en inglés) o Internet de las cosas se define como una evolución del actual internet y tiene el objetivo de permitir a objetos o dispositivos identificables unívocamente en digital, comunicarse con otros dispositivos y sistemas distribuidos a través de internet, utilizando estándares abiertos. Este paradigma permite ofrecer muchos servicios innovativos, pervasivos y ubicuos que encuentran aplicabilidad tanto en sectores tradicionales como automatización o control industrial y en campos más modernos como e-health, sistemas de energía inteligentes, ciudades inteligentes entre otros. Una de las principales tecnologías habilitantes para el IoT es el Tag RFID, de hecho este Tag asociado a un objeto no inteligente, puede identificarlo unívocamente y ser utilizado para memorizar información sobre el objeto mismo. También la estandarización de tecnologías wireless, como las consolidadas Bluetooth y ZigBee y las más recientes 6LoWPAN e COAP han tenido una gran importancia en la difusión del concepto de IoT, porque han permitido tener sensores poco invasivos, sensibles, económicos y muy precisos, los cuales no perturban los parámetros medidos por los otros sensores expuestos cercanamente, pueden ser stand-alone o reagrupados en redes de sensores y pueden funcionar de manera independiente. Tales sensores son utilizados para recoger información en tiempo real sobre parámetros del ambiente, como temperatura, localización, movimiento, etc. Y pueden ser gestionados e integrados en plataformas tecnológicas para el IoT. Sin embargo, estos objetos inteligentes pueden interactuar entre ellos a pesar de las diferencias en términos de hardware, software y protocolos de comunicación usados. Una solución común es utilizar un software especializado conocido como middleware, el cual se trata de un importante componente arquitectural para el soporte de las aplicaciones distribuidas, que usualmente se posiciona entre las aplicaciones y el sistema operativo. El rol del middleware es el de presentar un modelo de programación unificado para programadores y desarrolladores de aplicaciones, enmascarar los problemas de heterogeneidad entre dispositivos y la distribución del software. Vista la complejidad de las plataformas para el internet de las cosas, y teniendo en cuenta varios aspectos importantes para facilitar el uso de tales sistemas y herramientas de configuración que vienen incorporados con ellos, los cuales permiten configurar una instancia del sistema, gestionar el ciclo de vida de los módulos que lo integran y tener una idea clara en tiempo real de su estado de ejecución, facilitando al usuario la fase de commissioning de la plataforma y la fase de configuración de los diferentes componentes principales. El objetivo de esta tesis es extender la actual herramienta de configuración del middleware VIRTUS, basándose sobre las consideraciones hechas estudiando el estado del arte de los métodos para la configuración de arquitecturas de software distribuido. Visto el amplio campo de posibles soluciones, se decidió focalizarse sobre algunas soluciones del sector Smart energy poniendo particular atención sobre el middleware open source LinkSmart. VIRTUS es un middleware orientado al internet de las cosas que usa instrumentos abiertos y estándares que ofrecen una solución escalable, ágil y totalmente event-driven para el soporte de aplicaciones para el internet de las cosas. La arquitectura de VIRTUS prevé un instrumento para la configuración y gestión del middleware, este software permite al usuario interactuar con varios módulos del sistema y controlar en fase de ejecución el ciclo de vida del software, y recuperar el estado de ejecución actual de las aplicaciones. Después de la fase de estudio, se decidió concentrar los desarrollos sobre la funcionalidad de configuración dinámica de aplicaciones multidominio, que permiten la comunicación entre diferentes instancias del middleware, dado que aún no está presente en el sistema de configuración. Además de adicionar esta característica, en el mismo contesto ha sido implementado también un mecanismo de DISCOVERY para permitir al middleware, descubrir cuales sensores están presentes en una instancia remota de VIRTUS y poder escoger aquellos que sean necesarios para completar la configuración de la propia aplicación. Esta última parte ha sido desarrollada a través del protocolo XMPP, protocolos abiertos de mensajería instantánea utilizados en VIRTUS para la comunicación entre las diferentes entidades. El presente trabajo se estructura en 4 capítulos. En el primer capítulo vienen analizados a nivel general los conceptos de Internet de las cosas y middleware, el segundo capítulo describe como pueden clasificarse los middleware y sus diferentes arquitecturas, en el tercer capítulo se presenta el estudio hecho sobre los principales sistemas de configuración y herramientas de gestión en tiempo real, en el ámbito de Smart energy y sobre el middleware LinkSmart, en el último capítulo se describe la arquitectura del middleware VIRTUS y su sistema de configuración, además vienen detallados los desarrollos hechos, las posibles evoluciones y las conclusiones.

Recent projections estimate that the Netherlands needs circa 33 GW of offshore wind capacity in the North Sea to meet the goals of the Paris Agreement. To this end, the Dutch government has very ambitious plans to create new wind sites far from shore and integrate that power generation to the high-voltage power grid in the next years. Due to the challenges of connecting future massive amounts of offshore wind power into the grid TenneT operates it becomes urgent to investigate new alternatives for this purpose. A grid topology with transmission capacities above 1 GW connecting offshore wind farms at distances close to 100 km in a standardized, modular, and cost-efficient manner is the focus of this thesis. With eight point-to-point HVDC links in operation in Germany and more expected in near future, TenneT TSO is analysing new offshore grid connection concepts to achieve a reliable and secure operation of the infrastructure connecting wind energy both in Germany and the Netherlands. A solution is presented in this thesis report in which new wind farms are connected with 66-kV cables to a centralised platform with a connection capacity of 1050 MW. This platform will utilise HVDC technology based on VSC conversion techniques and MMC topology. It is expected that the 66-kV cables will not be connected to a single busbar through paralleled converter transformer, but that this will be done with at least three converter transformers connected to each other on the valve side but not connected on the 66-kV side. A dynamic performance study of a test network with the novel connection topology developed in PSCAD has been done. Each component of the system was studied to obtain a complete overview and understanding of the overall behaviour. All the associated control loops for the MMC terminals and wind turbines were modelled in detail. Through several simulations based on eight cases and scenarios the performance of the offshore 66-kV ac grid and the MMC-HVDC link using the control schemes of MMC converters as in a typical grid connection topology for OWFs was assessed. Proyecciones recientes estiman que los Países Bajos necesitan alrededor de 33 GW de capacidad eólica marina en el Mar del Norte para cumplir los objetivos del Acuerdo de París. Para este fin, el gobierno holandés tiene planes muy ambiciosos de crear nuevas plantas eólicas lejos de la costa e integrar esa generación de energía a la red eléctrica de alto voltaje en los próximos años. Debido a los desafíos de conectar cantidades masivas de energía eólica marina a la red que opera TenneT en el futuro, es urgente investigar nuevas alternativas para este propósito. El objetivo de esta tesis es estudiar una nueva topología de red con capacidades de transmisión por encima de 1 GW que conecte parques eólicos marinos a distancias cercanas a 100 km de manera estandarizada, modular y rentable. Con ocho enlaces HVDC punto a punto en operación en Alemania y más esperados en el futuro cercano, TenneT TSO está analizando nuevos conceptos de conexión a la red en el mar para lograr una operación confiable y segura de la infraestructura que conecta la energía eólica tanto en Alemania como en los Países Bajos. En este reporte de tesis se presenta una solución en la que los nuevos parques eólicos están conectados con cables de 66 kV a una plataforma centralizada con una capacidad de conexión de 1050 MW. Esta plataforma utilizará tecnología HVDC basada en las técnicas de conversión VSC con topología MMC. Se espera que los cables de 66 kV no se conecten a un solo punto eléctrico a través de transformadores convertidores en paralelo, sino que esto se hará con al menos tres transformadores convertidores conectados entre sí en el lado del convertidor, pero no en el lado de 66 kV. En este documento se presentan los resultados de un estudio dinámico de una red de prueba con la nueva topología de conexión desarrollada en PSCAD. Cada componente del sistema se estudió para obtener una visión general completa y una comprensión del comportamiento de toda la red. Todos los lazos de control de las estaciones convertidoras MMC y las turbinas eólicas se modelaron en detalle. A través de varias simulaciones basadas en ocho casos y escenarios se evaluó el comportamiento de la red de ac de 66 kV en alta mar y el enlace MMC-HVDC utilizando los esquemas actuales de control de los convertidores MMC de las topologías típicas de conexión de red para granjas eólicas marinas.