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This paper addresses the problem of the optimal reconfiguration of medium-voltage distribution networks by proposing a mixed-integer nonlinear programming (MINLP) model. The objective function of this optimization model is the minimization of the total power losses in all the branches of the network, considering active and reactive power balance equations, voltage regulation bounds, and device capabilities, among others. The proposed MINLP formulation works with branch-to-node incidence that allows representing the active and reactive power flow in branches as a function of the real and imaginary components of the voltages and currents. The solution of the MINLP model is reached through the general algebraic modeling system widely known as the GAMS package while presenting it in the form of a tutorial. This software allows implementing the proposed model a in compact way, which is solved via branch and bound methods. Two test feeders comprising 5 and 14 nodes allow demonstrating the fidelity of the proposed MINLP model regarding power loss minimization when compared to that reported in the specialized literature., Este artículo aborda el problema de la reconfiguración óptima de redes de distribución de media tensión mediante la proposición de un modelo de programación no lineal entera mixta (PNLEM). La función objetivo de este modelo de optimización es la minimización de las pérdidas totales de potencia activa en todas las ramas del sistema, considerando las ecuaciones de balance de potencia activa y reactiva, los límites de regulación de voltaje y la capacidad de los diferentes dispositivos, entre otros. La formulación de PNLEM propuesto trabaja con la matriz de incidencia rama-nodo, la cual permite representar las ecuaciones de flujo de potencia en las ramas como una función de los componentes reales e imaginariios de los voltajes en los nodos y las corrientes en las ramas. La solución del modelo de PNLEM se obtiene a través del sistema de modelado algebraico general ampliamente conocido como el paquete GAMS, presentándolo en forma de turorial. Este software permite implementar el modelo de optimización propuesto en forma compacta, el cual se resuelve mediante métodos de ramificación y corte. Dos alimentadores de prueba compuestos de 5 y 14 nodos permiten demostrar la fidelidad del modelo de PNLEM propuesto en relación con la minimización de pérdidas de potencia cuando se compara con reportes de la literatura especializada.

This paper addresses the problem of the optimal reconfiguration of medium-voltage distribution networks by proposing a mixedinteger nonlinear programming (MINLP) model. The objective function of this optimization model is the minimization of the total power losses in all the branches of the network, considering active and reactive power balance equations, voltage regulation bounds, and device capabilities, among others. The proposed MINLP formulation works with branch-to-node incidence that allows representing the active and reactive power flow in branches as a function of the real and imaginary components of the voltages and currents. The solution of the MINLP model is reached through the general algebraic modeling system widely known as the GAMS package while presenting it in the form of a tutorial. This software allows implementing the proposed model a in compact way, which is solved via branch and bound methods. Two test feeders comprising 5 and 14 nodes allow demonstrating the fidelity of the proposed MINLP model regarding power loss minimization when compared to that reported in the specialized literature. © 2022, Universidad Nacional de Colombia. All rights reserved.

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., 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.

This paper addresses the problem of optimal conductor selection in direct current (DC) distribution networks with radial topology. A nonlinear mixed-integer programming model (MINLP) is developed through a branch-to-node incidence matrix. An important contribution is that the proposed MINLP model integrates a set of constraints related to the telescopic structure of the network, which allows reducing installation costs. The proposed model also includes a time-domain dependency that helps analyze the DC network under different load conditions, including renewable generation and battery energy storage systems, and different voltage regulation operative consigns. The objective function of the proposed model is made up of the total investment in conductors and the total cost of energy losses in one year of operation. These components of the objective function show multi-objective behavior. For this reason, different simulation scenarios are performed to identify their effects on the final grid configuration. An illustrative 10-nodes medium-voltage DC grid with 9 lines is used to carry out all the simulations through the General Algebraic Modeling System known as GAMS.

Objective: In this paper, is present a hybrid optimization methodology for the optimal location and sizing of distributed generators (DGs) in electrical distribution networks. We propose a mixed-integer nonlinear problem (MINLP) model for the mathematical formulation, whose objective function is the minimization of power losses due to the Joule effect in conductors. The constraints we considered include active and reactive power balance, voltage regulation, percentage of penetration of DGs into the distribution network, and total DGs allowed in such network. Methodology: To solve the MINLP model, we employed a master–slave strategy that uses the Chu-Beasley genetic algorithm (CBGA) and the optimal power flow (OPF) model as the master and slave algorithms, respectively. This hybrid technique helps to reduce the complexity of the MINLP model by eliminating binary variables through the master algorithm and then solving the resulting Nonlinear problem (NLP), which corresponds to the OPF model, using a classical interior-point method available in MATLAB’s fmincon toolbox. Results: We tested the efficiency and robustness of the proposed methodology in 33- and 69-node radial distribution networks. The results show its high performance in terms of power loss reduction and final sizing of DGs Conclusions: The results obtained in the test systems under analysis reveal that there is a direct and proportional relationship between technical losses, the percentage of distributed generation penetration, and the number of generators available., Objetivo: En este documento, se presenta una metodología de optimización híbrida para la ubicación y el tamaño óptimos de generadores distribuidos (DG) en redes de distribución eléctrica. Se propone un modelo de problema no lineal de enteros mixtos (MINLP) para la formulación matemática, cuya función objetivo es la minimización de las pérdidas de potencia debido al efecto Joule en los conductores. Las restricciones incluyen el equilibrio de potencia activa y reactiva, regulación del voltaje, el porcentaje de penetración de las DG en la red de distribución y las DG totales permitidas en dicha red. Metodología: Para resolver el modelo MINLP, se emplea una estrategia maestro-esclavo que utiliza el algoritmo genético Chu-Beasley (CBGA) y el modelo de flujo de potencia óptimo (OPF) como algoritmos maestro y esclavo, respectivamente. Esta técnica híbrida ayuda a reducir la complejidad del modelo MINLP al eliminar las variables binarias a través del algoritmo maestro y luego resolver el problema no lineal resultante (PNL), que corresponde al modelo OPF, utilizando un método clásico de punto interior disponible en la caja de herramientas fmincon de MATLAB Resultados: Se prueba la eficiencia y la solidez de la metodología propuesta en redes de distribución radial de 33 y 69 nodos. Los resultados muestran su alto rendimiento en términos de reducción de pérdida de potencia y dimensionamiento final de DG Conclusiones: Existe una relación directa y proporcional entre las pérdidas técnicas, el porcentaje de penetración de generación distribuida y el número de generadores disponible.

Este artículo presenta la localización y el dimensionamiento óptimo de generadores distribuidos (GD) y bancos de condensadores (BC) en sistemas radiales de distribución para minimizar las pérdidas de potencia activa (PPA) y reactiva (PPR). Un modelo de programación no lineal entera mixta (PNLEM) se propone como formulación matemática del problema. Este modelo matemático es resuelto mediante el paquete de optimización comercial de modelado general de sistemas algebraicos (GAMS) y el solver CONOPT. La implementación en GAMS es presentada con un sistema de prueba de 10 nodos clásico de la literatura especializada. Como sistema de prueba es empleado el sistema de prueba IEEE 33 nodos y son considerados tres escenarios de simulación. El primero consiste en evaluar la inclusión únicamente de generadores distribuidos, en el segundo escenario se consideran sólo bancos de condensadores y en el tercer escenario se plantea la integración de ambos elementos. Los resultados obtenidos muestran que cuando se integran de manera conjunta capacitores y generadores distribuidos a la red, mejora significativamente las características operativas del sistema en relación con los dos primeros escenarios analizados.

In this paper describes the design and simulation of a two-stage hybrid controller for the inverted reaction wheel pendulum (RWP) is presented. In the first stage, the general pendulum arm modeling is performed through a nonlinear model to determine the stored energy in the plant, and using a strategy known as swing up energy regulation, the data required for the training of an artificial neural network are obtained. In the second stage, via a soft switching system, neuronal control is exchanged by a controller based on the extended linearization of the state variables, whereby the permanence of the pendulum in the region of operation is guaranteed. The control strategy proposed shows excellent performance against external disturbance phenomena and ensures the overall operation of the physical system., En este artículo se presenta el diseño y la simulación de un controlador híbrido de dos etapas para el péndulo invertido con rueda de reacción (RWP). En la primera fase se realiza el modelado general del brazo pendular a través de un modelo no lineal que determina la energía almacenada en la planta, y usando una estrategia de balance conocida como regulación de energía (RE), se obtienen los datos necesarios para el entrenamiento de una red neuronal artificial (RNA). En la segunda etapa, por medio de un sistema de conmutación suave, se intercambia el control neuronal por un controlador basado en la linealización extendida de las variables de estado (LEVE), con lo cual se garantiza la permanencia del péndulo en la región de operación. La estrategia de control propuesta, muestra un excelente desempeño ante fenómenos de perturbación externa y garantiza la operatividad global del sistema físico.

Distributed generation (DG) is presented as a support to supply the demand of the system in a localized way, also allowing small-scale generation with renewable energy sources. As a main contribution, this document presents several considerations to be taken into account when analyzing, modeling and solving the problem of location and dimensioning of DG in the distribution grid. Initially, the technical aspects of the network are outlined as well the load modeling, and DG impacts; followed by the formulation of the mathematical model of the problem, main solution techniques, methodologies applied in the literature. Finally, it shows future research in this field of study All the above to improve the operating conditions of the network. Within the review of the papers presented by the different authors, it was found that a large part of the studies focus on the technical aspects, without taking into account the costs associated with the integration of DG, nor the economic incentives that can Be susceptible to this type of projects, which are of vital importance in assessing the feasibility of the integration proposal., La generación distribuida (GD), se presenta como un apoyo para suplir la demanda del sistema de forma localizada, permitiendo además como alternativas de generación el uso de fuentes de energía renovables a pequeña escala. Como aporte principal, este documento presenta las consideraciones a tener en cuenta al momento de analizar, modelar y solucionar el problema de ubicación y dimensionamiento de GD en la red eléctrica de distribución. Inicialmente, se enuncian los aspectos técnicos de la red, el modelado de las cargas, impactos de la GD; seguido de, la formulación del modelo matemático del problema, principales técnicas de solución, metodologías aplicadas en la literatura y finalmente se muestran las investigaciones futuras en este campo de estudio. Todo lo anterior en busca de mejorar las condiciones operativas de la red. Dentro de la revisión de los trabajos presentados por los diferentes autores, se encontró que una gran parte de los estudios se enfocan en los aspectos técnicos, sin tener en cuenta los costos asociados a la integración de GD, ni los incentivos económicos a los que pueden ser susceptibles este tipo de proyectos, que son de vital importancia para evaluar la viabilidad de la propuesta de integración.

En este documento se presenta el diseño y la simulación de un controlador global para el péndulo invertido con rueda de reacción empleando métodos de regulación de energía y linealización extendida de las variables de estado. La regulación de energía propuesta se fundamenta en la variación gradual de la energía del sistema para alcanzar la posición vertical invertida. La señal de entrada requerida se obtiene a partir de la aplicación del teorema de estabilidad de Lyapunov. El control por realimentación extendida de las variables de estado se emplea para obtener una función no lineal suave que extienda la región de operación del sistema en un rango mayor, en contraste con la realimentación estática de las variables de estado que se obtiene mediante métodos de linealización aproximada alrededor de un punto de operación. El controlador diseñado opera a partir de la conmutación de las señales de control dependiendo de la región de operación y para verificar su robustez y eficiencia se aplican perturbaciones en la señal de control y en las variables medidas. Finalmente las simulaciones y pruebas realizadas sobre el modelo del sistema físico, permiten observar la versatilidad y funcionalidad del controlador propuesto en toda la región de operación del péndulo.

This paper presents the design and simulation of a global controller for the Reaction Wheel Pendulum system using energy regulation and extended linearization methods for the state feedback. The proposed energy regulation is based on the gradual reduction of the energy of the system to reach the unstable equilibrium point. The signal input for this task is obtained from the Lyapunov stability theory. The extended state feedback controller design is used to get a smooth nonlinear function that extends the region of operation to a bigger range, in contrast with the static linear state feedback obtained through the method of approximate linearization around an operating point. The general designed controller operates with a switching between the two control signals depending upon the region of operation; perturbations are applied in the control signal and the (simulated) measured variables to verify the robustness and efficiency of the controller. Finally, simulations and tests using the model of the reaction wheel pendulum system, allow to observe the versatility and functionality of the proposed controller in the entire operation region of the pendulum., En este documento se presenta el diseño y la simulación de un controlador global para el péndulo invertido con rueda de reacción empleando métodos de regulación de energía y linealización extendida de las variables de estado. La regulación de energía propuesta se fundamenta en la variación gradual de la energía del sistema para alcanzar la posición vertical invertida. La señal de entrada requerida se obtiene a partir de la aplicación del teorema de estabilidad de Lyapunov. El control por realimentación extendida de las variables de estado se emplea para obtener una función no lineal suave que extienda la región de operación del sistema en un rango mayor, en contraste con la realimentación estática de las variables de estado que se obtiene mediante métodos de linealización aproximada alrededor de un punto de operación. El controlador diseñado opera a partir de la conmutación de las señales de control dependiendo de la región de operación y para verificar su robustez y eficiencia se aplican perturbaciones en la señal de control y en las variables medidas. Finalmente las simulaciones y pruebas realizadas sobre el modelo del sistema físico, permiten observar la versatilidad y funcionalidad del controlador propuesto en toda la región de operación del péndulo.