ROBOTICS AND SMART-GRIDS IN FUTURE POWER SYSTEMS: SENSING AND MONITORING THE GRID

Abstract

El crecimiento económico y demográfico a gran escala en varios países ha llevado a un aumento en la demanda de energía eléctrica alrededor del mundo. Actualmente Chile enfrenta desafíos energéticos tanto para el consumo habitacional, como el comercial e industrial, y ha planteado como objetivo fomentar el uso eficiente de la energía, estableciendo una ambiciosa meta de 20% de reducción de la demanda energética respecto a la proyectada al año 2025 (Ministerio de Energía, “Agenda de Energía: Un desafío país, progreso para todos”. El esfuerzo país se focaliza en la búsqueda de fuentes de energía renovables no convencionales y en la optimización de procesos de operación y mantenimiento (O&M) dentro de los sistemas existentes con el objetivo de generar las condiciones adecuadas para alcanzar el desarrollo en las próximas décadas a nivel país (Estrategia Nacional de Energía 2012-2030, “Energía para el futuro: limpia-segura-económica, Gobierno de Chile”). Con este fin, el desarrollo de maquinaria basada en robots autónomos, Internet de las cosas, sistemas dedicados y máquinas inteligentes es la respuesta de la Ingeniería Eléctrica para abordar los desafíos cada vez más complejos dentro de una industria de energía en rápida expansión. Sin embargo, el uso de robots en sistemas de potencia es limitado debido a las condiciones extremas de los sistemas eléctricos de potencia y las restricciones mecánicas de los robots. En este contexto, esta tesis presenta un estidio completo y el desarrollo de diferentes sistemas dedicados relacionados con la robótica en sistemas de potencia, cuyo principal objetivo es el trabajo de mantenimiento. Tres enfoques diferentes son propuesto con la finalidad de resolver diferentes desafíos: percepción de la red eléctrica, navegación de plataformas eléctricas y carga inalámbrica. Se presenta el análisis teórico y los lineamientos necesarios para su implementación práctica. Cada uno de los desafíos han sido abordados mediante la implementación de aplicaciones prácticas, y evaluados mediante simulaciones y pruebas de campo.

Accelerated demographic and economic growth in several countries has led to an increase in electrical energy demand. Inspection of power system assets –including conductors, protection systems, electrical towers/poles, transformers, and other devices– plays an important role to address the growing need for sustainable energy worldwide. Chile is facing various energy challenges that threaten both consumer and suppliers. To this end, government action and policy is geared to encourage e cient use of electrical energy, establishing an ambitious target: the reduction of 20% of energy demand with regard to projected at 2025 (Ministerio de Energía, "Agenda de Energía: Un desafío país, progreso para todos"). The internal polities are focused on the development of non-conventional renewable energies and the optimization of operation and maintenance (O&M) practices of current power systems in order to generate the adequate conditions to achieve the country development in the next few decades (Estrategia Nacional de Energía 2012-2030, "Energía para el futuro: limpia-segura-económica"). Within this context, the development of machinery based on autonomous robots, Internet of Things (IoT), embedded systems and smart machines is the response of the Electrical Engineering discipline to face the increasingly complex challenges within a rapidly expanding power industry. However, hazardous conditions of power systems and mechanical constraints of robots have limited their use. In this regards, this Thesis presents comprehensiveness study and the development of real applications of robotics in power systems. The main approach is the development of di erent dedicated systems that can be mounted in robotic platforms in order to solve di erent identified challenges. Three di erent approaches are proposed in order to solve di erent challenges: perception of the electric network, navigation of electric platforms and wireless charging. The theoretical analysis and the necessary guidelines for its practical implementation are presented. Each of the challenges has been addressed through the implementation of practical applications, and evaluated through simulations and field tests.