Development, optimization and experimental validation of smart devices for substations and power transmission lines

Abstract

(English) In recent years, there has been a significant increase in the growth of electricity demand. This electricity demand requires retrofitting of lines or exploiting the maximum capacity of existing power lines. In addition, substation connectors are the critical components of power systems since the failure of substation connectors can lead to serve power outages and significantly affect the power transmission efficiency. Therefore, it is vital to have real-time information on key elements of electrical systems, such as connectors and conductors, in order to ensure the reliability and efficiency of power transmission systems. To this end, the Smartconnector project aims to combine ICT (Information and Communication Technologies), IoT (Internet of Things) and data-driven technologies to estimate the state of health of substation connectors and take advantage of the maximum capacity of lines. Over the past few years, several research projects have been carried out to develop a smart high voltage connectors prototype, Smartconnector, in order to collect and wirelessly transmit information from power connectors in real time. Moreover, a prediction model has been proposed to utilize the collected data to separately predict the remaining useful life of connectors. However, improvements, experimental validation and field application are still needed to verify the reliability and feasibility of the Smartconnector prototype. In addition, field application of the IoT device is required for both connectors and conductors.

This thesis is dedicated to the development, improvement, and experimental validation of the IoT prototype and the extension of its application to further increase the efficiency of power transmission systems. It is divided into two cores, which include the optimization of the Smartconnector prototype, and the extension of its application. This thesis improves the power management system, which helps to prolong the lifetime of the device. This improvement is based on thermal energy harvesting together with the energy balance strategy. Also, it develops statistical filtering algorithms for data processing. The proposed algorithms are finally implemented on the embedded system of the Smartconnector device, ensuring the accuracy of the continuous measurements. This thesis also focuses on the application of the Smartconnector for the dynamic monitoring of the line capacity considering weather conditions. In conclusion, this thesis aims to provide improvements and developments for the Smartconnector, as well as to open its application to other fields.

(Español) En los últimos años se ha producido un aumento significativo del crecimiento de la demanda de electricidad. Este crecimiento requiere el reequipamiento de las líneas o el aumento de la capacidad de las líneas eléctricas existentes. Además, los conectores de subestación son componentes críticos, ya que su fallo de los conectores puede provocar cortes de servicio y afectar significativamente a la eficiencia de la transmisión de energía. Por lo tanto, es vital disponer de información en tiempo real sobre elementos clave de los sistemas eléctricos, como conectores y conductores, para garantizar la fiabilidad y eficiencia de los sistemas de transmisión de energía. Con este fin, el proyecto Smartconnector pretende combinar las TIC (Tecnologías de la Información y la Comunicación), el IoT (Internet of Things) y las tecnologías basadas en datos para estimar el estado de salud de los conectores de las subestaciones y aprovechar al máximo la capacidad de las líneas. En los últimos años, se han llevado a cabo varios proyectos de investigación para desarrollar un prototipo de conectores inteligentes de alta tensión, Smartconnector, con el fin de recopilar y transmitir de forma inalámbrica información de los conectores de potencia en tiempo real. Además, se ha propuesto un modelo de predicción que utiliza los datos recogidos para predecir por separado la vida útil restante de los conectores. Sin embargo, aún son necesarias mejoras, validación experimental y aplicación sobre el terreno para verificar la fiabilidad y viabilidad del prototipo Smartconnector. Además, es necesaria la aplicación sobre el terreno del dispositivo IoT tanto para los conectores como para los conductores. Esta tesis está dedicada al desarrollo, mejora y validación experimental del prototipo IoT y la extensión de su aplicación para aumentar aún más la eficiencia de los sistemas de transmisión de energía.

Esta tesis se divide en dos partes, que incluye la optimización del prototipo Smartconnector y la extensión de su aplicación. Esta tesis mejora el sistema de gestión de energía, lo que ayuda a prolongar la vida útil del dispositivo. Dicha mejora, se basa en la captación de energía térmica junto con la estrategia de balance energético. Asimismo, esta tesis presenta desarrollos de algoritmos de filtrado estadístico para el procesamiento de datos. Los algoritmos propuestos se implementan finalmente en el sistema integrado del dispositivo Smartconnector, asegurando la precisión de las medidas continuas. Esta tesis también se centra en la aplicación del Smartconnector para la monitorización dinámica de la capacidad de la línea teniendo en cuenta las condiciones meteorológicas. En conclusión, esta tesis pretende aportar mejoras y desarrollos para el Smartconnector, así como abrir su aplicación a otros campos.