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Contenido
Octubre-Diciembre de 2014, Año XVII, No. 65
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Directorio
Editorial
2014: Año Internacional de la cristalografía
José Reyes Gasga
Planificando sistemas territoriales comerciales en gran
escala mediante modelos y métodos de programación entera
Roger Z. Ríos Mercado, J. Fabián López Pérez
Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision
time protocol (PTP) in power system applications
G. S. Antonova y los miembros del IEEE PES PSRC Working Group
Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en
línea en la era digital: Una aproximación coneccionista
Guadalupe E. Morales Martínez, Ernesto O. López Ramírez,
Claudia Jaquelina González Trujillo, María Isolde Hedlefs Aguilar
Nuevos materiales anódicos para la generación de
bioelectricidad en celdas de combustible microbianas
Nora A. García-Gómez, Domingo I. García-Gutiérrez,
Salomé M. De la Parra-Arciniega y Eduardo M. Sánchez Cervantes
Real time coordination of directional overcurrent
relays by ACO
Meng Yen Shih, Arturo Conde Enríquez
Eventos y reconocimientos
Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL
Acuse de recibo
Colaboradores
Información para colaboradores
Código de ética
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65
3
�DIRECTORIO
Ingenierías, Año XVII, N° 65, octubrediciembre 2014. Es una publicación
trimestral, editada por la Universidad
Autónoma de Nuevo León, a través de
la Facultad de Ingeniería Mecánica y
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C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020
Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor
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Monterrey, N.L., México, C.P. 64000.
Fecha de terminación de impresión: 15 de
octubre de 2014. Tiraje: 800 ejemplares.
Distribuido por: Universidad Autónoma
de Nuevo León, a través de la Facultad
de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro
de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los
Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450.
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Virgilio A. González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna
Karissova, FCFM-UANL / M.C. Gabriel Martínez Alonso, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger
Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL
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Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65
�Editorial:
2014: Año Internacional de la
Cristalografía
José Reyes Gasga
Universidad Nacional Autónoma de México, Instituto de Física
jreyes@fisica.unam.mx
El 2014 es el Año Internacional de la Cristalografía, seguramente es
importante, podríamos decir, como para que se le dedique un año de celebración,
pero por si la relevancia de la celebración no fuera obvia, valdría la pena repasar
algunos antecedentes que explican el entusiasmo de los investigadores en esta
área.
La cristalografía es la ciencia que estudia la geometría de los cristales y la
relación que guardan sus partes con el resto del cristal. Los cristales se encuentran
en todas partes, desde las piedras preciosas hasta la sal de cocina. Actualmente
la cristalografía juega un papel importante en la física, la química, la biología,
las matemáticas, la geología, la mineralogía, y la medicina.
Por ejemplo, en física, la geometría que presenta un cristal está relacionada
con sus propiedades. Los materiales están formados por átomos arreglados en
forma geométrica y sus propiedades y respuestas al medio ambiente dependen
del tipo o tipos de átomos que lo conforman y del arreglo que presentan. Las
ecuaciones necesarias para representar matemáticamente las propiedades de los
cristales tienen que ver con esos arreglos. Si la propiedad se presenta de forma
similar en todas las direcciones, se dice que ésta es isotrópica y basta una sola
ecuación para representarla, pero como ocurre con frecuencia, si la propiedad no
presenta esta característica entonces el material es anisotrópico y se requieren
más ecuaciones. Por lo tanto, las propiedades cristalográficas de los cristales
indican el número de ecuaciones necesarias para describir sus propiedades.
El descubrimiento del uso de los rayos x para el estudio del arreglo atómico
de la materia significó el inicio de la cristalografía moderna. El origen de este
estudio es uno de los eventos que propiciaron la designación del 2014 como el
Año Internacional de la Cristalografía, lo que puede ser mejor entendido con un
repaso breve de los eventos particulares que marcaron ese momento.
En el siglo XIX el británico William Crookes estudió el efecto de la corriente
eléctrica en ciertos gases usando un tubo de vacío en donde existían unos
electrodos para aplicar la corriente. Estos tubos fueron conocidos como “tubos
de Hittorff-Crookes”.
El físico alemán Wilhem Conrad Rontgen descubrió los rayos x en 1895
cuando experimentaba con un tubo de Hittorff-Crookes e hizo incidir el haz
de electrones sobre una placa de platino-cianuro de bario y observó un débil
resplandor que desaparecía/aparecía cuando apagaba/encendía el tubo. Observó
también que esta radiación velaba las placas fotográficas y atravesaba objetos
sólidos, excepto el hueso humano. Es famosa la imagen de la mano de su esposa
mostrando los huesos que la componen. Rontgen llamo a esta radiación como
“radiación desconocida” o “radiación x”, lo que derivó en “rayos x”.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65
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�2014: Año Internacional de la Cristalografía / José Reyes Gasga.
Actualmente sabemos que los rayos x son radiación electromagnética con
longitudes de onda en el rango de los 10 a 0.01 nanómetros y con frecuencias
entre 50 y 5000 veces la frecuencia de la luz. Los rayos x son la base de la
radiografía, tan usada en la medicina moderna. Pero el que ahora conozcamos la
naturaleza y características de los rayos x no fue una cosa sencilla ni se realizó
de la noche a la mañana. Tuvieron que pasar muchos años antes de que esto
sucediera.
Cuando Rontgen dio a conocer el descubrimiento de los rayos x, los físicos,
químicos, biólogos y médicos de inicio del siglo XX se interesaron en descubrir
su naturaleza, propiedades y aplicaciones, se tuvo que trabajar un cuarto de
siglo para conocer su naturaleza y propiedades y medio siglo para conocer sus
aplicaciones.
Para conocer su origen y naturaleza fue necesario que se desarrollara la física
cuántica y el estudio atómico de los materiales; y fueron varios los premios nobel
otorgados por los estudios realizados en el campo de los rayos x.
Rontgen recibió el premio Nobel en 1901 por el descubrimiento de los
rayos x. Durante los 1920s, los avances de la teoría cuántica sirvieron para
caracterizar más precisamente la interacción de los rayos x con los átomos de
los materiales. También se inició el uso de las series de Fourier para representar
la distribución de electrones en las redes cristalinas. En 1935 el físico británico
Arthur Patterson descubrió la forma de describir estructuras cristalinas a partir
de datos experimentales. En 1957 Dorothy Hodgkin determinó la estructura de
la vitamina B12, y los rayos x adquirieron gran relevancia en el campo de la
química orgánica. En 1962 se otorgan los premios Nobel a Max Perutz y John
Kendrew por los estudios de las proteínas y a Francis Crick, James Watson y
Maurice Wilkins por el descubrimiento de la doble hélice del ADN. Entre 1960 y
1980 cobra gran relevancia el estudio de la biología molecular y la cristalografía
de proteínas y moléculas.
Sin embargo la lista anterior no está completa. 1914 marca el nacimiento de
la cristalografía mediante rayos x gracias al descubrimiento de su difracción
en sólidos cristalinos realizado por el físico alemán Max Von Laue en 1912 y
su formulación matemática a través de la ley de Bragg realizada por los físicos
británicos William Henry Bragg (padre) y William Laurence Bragg (hijo) en
1913.
El trabajo de Von Laue, los Bragg y muchos más indicaron que el análisis
cristalográfico de los cristales se facilita enormemente cuando se utilizan técnicas
basadas en la difracción. Este fenómeno de la difracción lo podemos describir de
forma simplificada como la desviación de un haz, ya sea de luz, de electrones o
de rayos x, en la proximidad de un cuerpo sólido. De esta manera, si colocamos
una pantalla o un detector, observaremos la interferencia de estos rayos en una
dirección dada. Ésta es la base de la ley de Bragg.
Para que se observe el fenómeno de la difracción en los cristales, la radiación
debe tener longitudes de onda comparables con la distancia entre los átomos
que conforman la materia, es decir de unas décimas de nanómetro. La longitud
de onda de los rayos x es similar a las distancias interatómicas en sólidos. Por
lo tanto, la difracción de rayos x es una de las herramientas más útiles en el
campo de la cristalografía.
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Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65
�2014: Año Internacional de la Cristalografía / José Reyes Gasga.
Max Von Laue recibió el premio Nobel de física en 1914 por el descubrimiento
de la difracción de rayos x por cristales y en 1915 a William Henry Bragg y
William Laurence Bragg por sus servicios en el análisis de estructuras cristalinas
mediante rayos x, los cuales se usan actualmente en el estudio estructural de
materiales en la física, química, biología, geología y medicina.
Ésta es la razón por la que se considera que 2014 marca el centenario del
nacimiento de la cristalografía por rayos x y enfatiza su importancia en el estudio
de los materiales y su uso en la vida humana. Por lo tanto, la Asamblea General
de las Naciones Unidas proclamó al 2014 como el “Año Internacional de la
Cristalografía” en su asamblea del 4 de julio de 2012, y encargó a la Organización
de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO)
liderar y coordinar en colaboración con la Unión Internacional de Cristalografía
(IUCr) la implementación de actividades conmemorativas y de divulgación del
año internacional de la cristalografía.
La inauguración del año internacional de la cristalografía fue realizada el 20
de enero del 2014 en la sede de la UNESCO, ubicada en la Place de Fonteroy,
Paris, Francia. En este evento se reunieron la directora general de la UNESCO,
Irina Bokova, y el presidente de la IUCr, Gautam R. Desiraju. El secretario
general de la Organización de las Naciones Unidas, Ban Kim-Moon, dirigió un
mensaje por videoconferencia en esta ocasión.
Varios países se han unido para festejar la conmemoración del Año
Internacional de la Cristalografía. Por citar algunos ejemplos; Corea e Italia han
emitido timbres, Australia emitió una serie de monedas, y Marruecos emitió
una medalla conmemorativa.
En México, los eventos conmemorativos del Año Internacional de la
Cristalografía incluyen cursos, conferencias, talleres y exposiciones, que se
han realizado principalmente en la Universidad de Sonora, organizadas por el
Dr. Ricardo Rodríguez Mijangos.
No cabe duda que la cristalografía de rayos x ha permitido un avance enorme
en el estudio estructural de los materiales. Debido a su importancia, las sociedades
de cristalografía de varios países, incluido México, decidieron conformar la IUCr.
Al festejar el 2014 como el Año del Centenario de la Cristalografía se da un
reconocimiento muy importante en el trabajo realizado en el campo de los rayos
x y otros haces energéticos para el estudio cristalográfico de los materiales.
Además del reconocimiento a quienes trabajan y continúan trabajando en
esta ciencia, se le da difusión a través de sus aplicaciones que bien pueden ser de
conocimiento general, pero cuyos creadores no gozan de reconocimiento social.
Una celebración de esta naturaleza promueve tal reconocimiento, así como la
inquietud de las nuevas generaciones para trabajar y convertirse en los pilares
de los desarrollos científicos del futuro.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65
7
�Planificando sistemas
territoriales comerciales en
gran escala mediante modelos y
métodos de programación entera
Roger Z. Ríos Mercado, J. Fabián López Pérez
FIME – UANL, FACPYA - UANL
roger@yalma.fime.uanl.mx
RESUMEN
En este trabajo se presenta un método de solución basado en técnicas de
programación entera mixta y generación de cortes, para un problema de diseño
de territorios comerciales. El problema de distribución abordado consiste en
determinar una partición de un conjunto de unidades geográficas en grupos
o territorios, sujeta a diversas restricciones, tales como balanceo territorial,
compacidad, conectividad, asignación desunida y similaridad con planes
existentes. Dada su complejidad, se propuso una técnica novedosa basada en
ramificación-y-acotamiento así como generación de cortes para resolverlo. El
método está mejorado por varias estrategias algorítmicas. La valoración empírica
del procedimiento propuesto muestra un excelente desempeño al encontrar
soluciones óptimas o casi óptimas a gran escala en condiciones reales durante
pocos minutos de cómputo.
PALABRAS CLAVE
Investigación de operaciones, diseño de territorios, programación lineal
entera mixta, desigualdades válidas, ramificación y acotamiento.
ABSTRACT
In this work, a solution method based on mixed-integer programming and
cut generation for a commercial territory design problem is presented. The
districting problem consists of determining a partition of a set of geographic
units into clusters or territories, subject to planning requirements such as
multiple territory balancing, compactness, connectivity, disjoint assignment,
and similarity with existing plan. A mixed-integer linear programming model
is introduced for this problem. The problem is NP-hard, that is, very hard to
solve. Given its complexity, a novel technique based on branch-and-bound and
cut generation is proposed for solving the problem. The method is enhanced
by several algorithmic strategies. The empirical assessment of the proposed
procedure shows an excellent performance by finding optimal and near-optimal
solutions to very large-scale real-world instances within a few minutes of
computational effort.
KEYWORDS
Operations research, territory design, mixed-integer linear integer
programming, valid inequalities, branch and bound.
6
Artículo basado el
trabajo “Planificación
inteligente de territorios
comerciales incluyendo
requerimientos de
realineación y asignación
disjunta” Premio de
Investigación UANL 2014
en el área de Ciencias
Exactas.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, J. Fabián López
INTRODUCCIÓN
El agrupamiento de pequeñas áreas geográficas
en zonas más grandes (clusters) de acuerdo a
criterios establecidos se denomina en la literatura
especializada como diseño de territorios o distritos.
En la Investigación de Operaciones el primer trabajo
publicado para el problema de diseño y planificación
de territorios puede ser referenciado a Forrest1 y Hess
et al,2 en 1964 y 1965, respectivamente. Dependiendo
del contexto del problema de aplicación, el concepto
de “diseño territorial” se puede utilizar como una
equivalencia al concepto de “distritación” que
tanto se conoce en el ámbito de la demografía
geopolítica.
La investigación en el área de “distritación” es
verdaderamente multidisciplinaria ya que incluye
muchos campos tales como la geografía, la ciencia
política, la administración pública y por supuesto la
investigación de operaciones. Sin embargo, todos
los problemas de esta àrea tienen en común la tarea
de subdividir la región bajo estudio para el diseño
y planificación de un cierto número de territorios,
considerando diversos aspectos de capacidad. De
hecho, los problemas de diseño territorial emergen
de distintos tipos de aplicaciones del mundo real. Por
mencionar algunos se pueden citar las aplicaciones
de distritación política o electoral,3-4 el diseño de
territorios para maximizar el aprovechamiento de
la fuerza de ventas,5-9 la distritación escolar,10 y por
supuesto el diseño territorial comercial,11-17 que es la
aplicación de interés en el presente trabajo. El lector
podrá encontrar una amplia discusión de trabajos de
diseño territorial en Duque et al.18 y Kalcsics et al.19
La mayoría de los servicios públicos incluyendo
hospitales, escuelas, transporte urbano, correo
postal, entre otros, se administran sobre supuestos de
límites territoriales. Se pueden mencionar aspectos
económicos o demográficos que deben ser tomados
en consideración para el diseño y planificación de
territorios equilibrados que luego se traducen en
aspectos de eficiencia económica y nivel de servicio.
Como ejemplo de lo anterior, si se supone que cada
uno de los territorios obtenidos en un plan óptimo es
administrado solamente por un recurso, tiene sentido
entonces la aplicación de criterios de balanceo para
la cantidad de clientes, el volumen de ventas, las
comisiones otorgadas, los recorridos en tránsito y
las jornadas de trabajo asignados a cada responsable
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
territorial. Finalmente, es importante considerar
ciertas restricciones físicas como parte de la definición
geográfica del problema, tales como la contigüidad y la
compacidad que deben tener los territorios obtenidos
como resultado del diseño óptimo.
El presente desarrollo se aplicó para el diseño y
planificación de los territorios de venta y atención
comercial en la red metropolitana de distribución de
bebidas embotelladas (Embotelladora ARCA) en la
ciudad de Monterrey, NL. Esta distribución consiste
en la entrega y recolección física de producto
desde los centros de distribución hacia los clientes
finales, autoservicios, tiendas de conveniencia,
supermercados, restaurantes y tiendas de abarrotes.
El 90% del modelo de distribución de esta empresa
se basa en un modelo de preventa terciada, esto es,
se levanta el pedido hoy y se entrega al día siguiente.
Cada ruta atiende un rango de 70 a 85 clientes por
día. De este conjunto de clientes a ser atendidos por
cada ruta de reparto, estadísticamente se conoce que
hasta un 40% de dichos clientes requiere ser atendido
dentro de cierta ventana de servicio (restricciones
de horario). Además, la embotelladora opera rutas
fijas de distribución a lo largo de todo el año,
independientemente de la curva de estacionalidad.
Es fácil identificar que potencialmente existen
fuentes de inequidad en las cargas de trabajo de
cada ruta a lo largo del año, ya que el proceso de
diseño y planificación de rutas se define en forma
manual y empírica, lo que limita la posibilidad de
operar con mejores esquemas que logren generar
beneficios económicos por reducción de costos.
Todo lo anterior ocasiona un gasto innecesario y
justifica el requerimiento de este proyecto cuyo
desarrollo, obedece a una necesidad real y general
que se presenta en este tipo de industria.
La enorme demanda de un producto muy
atomizado y de uso cotidiano; da como resultado
que la red de distribución esté formada por un
número considerable de puntos de venta. Por tanto,
las entidades geográficas a agrupar y planificar son
del orden de varias decenas de miles de elementos.
La industria en general ha encontrado que dividir
estos puntos en pequeños territorios, diseñados bajo
criterios económicos y geográficos bien definidos,
hace posible la administración de este enorme
número de entidades económicas. Así entonces, los
camiones repartidores son asignados para atender a
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�Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, et al.
uno o varios grupos (distritos, territorios) y sus rutas
se diseñan considerando sólo los clientes ubicados en
cada territorio. Los objetos que se busca agrupar son
los puntos de venta pero, dado su enorme número,
se ha hecho un primer agrupamiento a fin de reducir
la escala del problema y simplificar su solución. Así
entonces, todos los puntos de venta ubicados en una
misma manzana geográfica se consideran como uno
solo. De forma que, el objeto básico a planificar
para el diseño de los territorios será entonces el
conjunto de las manzanas geográficas de la ciudad
de Monterrey (aproximadamente 34 mil manzanas).
Con cada punto de venta se asocian varias medidas de
desempeño (variables de actividad) y estas mismas
tasas de rendimiento se asocian con cada manzana
geográfica definida. Para cada manzana física, las
medidas de desempeño serán simplemente la suma
aritmética de las medidas correspondientes de los
puntos de venta que la conforman.
El entregable del proyecto es un modelo
matemático (software) diseñado para resolver de
manera eficiente y efectiva problemas de diseño y
planificación de territorios. El software está diseñado
para poder realizar análisis geo-espaciales de
información de mercado de manera combinatoria a
través del empleo de variables demográficas y socioeconómicas. Se busca impactar económicamente en
la rentabilidad operativa y en el servicio dedicado a
la distribución secundaria de la embotelladora.
DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
El problema para el diseño y planificación óptima
de territorios se puede definir como el proceso para
agrupar áreas básicas, es decir manzanas geográficas,
en grupos o clusters geográficos de mayor tamaño.
Estos nuevos clusters se denominan territorios.
El planteamiento del problema incluye que cada
manzana básica puede estar asignada a un solo
territorio. El número de los territorios “p” que se
requieren obtener es conocido y está determinado
como un parámetro del modelo. Por otra parte, se
requieren cubrir los criterios de compacidad y de
contigüidad para los territorios propuestos en el
plan óptimo. El atributo de contigüidad se puede
definir como el efecto deseado de asegurar que un
territorio no esté deformado geográficamente, lo
que se traduce en que las manzanas geográficas que
8
conforman un territorio tengan que estar conectadas
entre sí. Es fácil entender, que para obtener
territorios contiguos, la información geográfica de
las fronteras (o vecindades) de cada manzana, debe
ser explícitamente alimentada al modelo matemático.
Los territorios compactos generalmente tienen una
operación geográficamente concentrada, lo cual
permite disminuir los tiempos muertos por trayecto
y por tanto, incrementar el tiempo disponible para
mejorar el nivel de servicio.
En las aplicaciones de diseño territorial del mundo
real, las variables de balanceo que principalmente
han sido utilizadas, están asociadas de manera directa
a la actividad de venta en sí misma. La definición
del problema incluye tres variables de actividad para
cada manzana básica, las cuales son: (i) cantidad
de clientes, (ii) volumen de ventas y (iii) jornada
de trabajo. La jornada de trabajo se define como el
tiempo que cada punto de venta (cliente) requiere,
esto incluye tiempo de traslado, entrega de mercancía,
recolección de envases y limpieza de exhibidores.
Dicha variable de actividad está subordinada al tipo
de servicio ejecutado en el punto de venta, lo cual a
su vez depende de las características de cada cliente,
así como de su localización geográfica.
La variable de actividad de un territorio se define
como la suma aritmética de la variable de actividad
del total de las manzanas básicas que conforman
dicho territorio. El diseño óptimo, busca que todos
los territorios construidos estén apropiadamente
equilibrados. De hecho, en este procedimiento de
balanceo, se consideran cada una de las tres variables
de actividad de manera individual y simultánea.
Las manzanas básicas son entes geográficos con
una ubicación específica dentro de una región. Los
territorios formados toman en cuenta esta ubicación
natural y es requisito que el territorio se forme
únicamente con manzanas que colindan entre ellas,
habiendo una razón muy simple para esto. Si para
llegar a algún punto de venta (manzana) es necesario
que el camión atraviese por puntos de venta que no
pertenecen a su distrito, la reacción de los clientes,
al verlo en sus alrededores, será pedirle abasto de
mercancía. El repartidor no traerá más abasto que
el calculado para su programación, por lo que el
servicio tendría que negarse, lo cual traería como
resultado que el cliente perciba una mala atención
por parte de su proveedor, deteriorando la imagen
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, et al.
de la empresa y constituyendo una fuente potencial
de daño económico.
La definición del problema incluye algunos
diseños de territorios prescritos y/o prohibidos. Eso
significa que pueden existir algunas manzanas básicas
que por definición deban estar asignadas a un territorio
específico. Del mismo modo, habría el caso contrario
en donde ciertas manzanas básicas no pudieran estar
asignadas conjuntamente a un territorio específico.
Todas estas características pueden aprovecharse
fácilmente, para que el modelo considere como parte
de la definición del problema algunos territorios que
puedan parcialmente estar predeterminados desde el
principio del proceso de planeación como resultado de
experiencias o planes anteriores. Esto significa que el
modelo puede tomar en consideración ciertos territorios
ya existentes y a partir de ahí asignar el resto de las
manzanas básicas a dichos territorios preconstruidos.
De manera especial, estas características del modelo se
pueden también aplicar para considerar los obstáculos
geográficos, como son ríos y montañas. Se puede
entonces generalizar aquí que el problema de diseño
territorial es común a todas aquellas aplicaciones
del mundo real en las que se opere con un grupo de
recursos escasos y que éstos requieran ser asignados
para subdividir un área geográfica de trabajo extensa
en subregiones de responsabilidad equilibradas. El
objetivo, es encontrar el mejor agrupamiento por
medio del cual puedan satisfacerse las restricciones
impuestas y al mismo tiempo lograr la formación de
grupos (distritos) balanceados con respecto a ciertos
parámetros de venta y distribución establecidos. El
problema se puede resumir como sigue: agrupar un
conjunto V de manzanas básicas (con tres atributos
de actividad en cada manzana) en un número limitado
de p territorios que satisfagan los criterios para cada
actividad, compacidad, contigüidad y similitud con
el plan anterior.
El problema se modela como un problema de
programación real entera mixta, cuyos detalles
pueden encontrarse en el trabajo de Ríos et al.20
MÉTODO DE SOLUCIÓN PROPUESTO
Considerese el modelo AM desplegado en las
expresiones (1)-(8), donde V denota el conjunto de
unidades básicas (UBs); Vc, el conjunto de centros
territoriales; A, el conjunto de atributos de las UBs;
Fi, el conjunto de UBs pre-especificadas asociadas al
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
centro territorial i del plan existente; dij, la distancia
entre unidades i y j en V; H, el conjunto que contiene
todos los pares de manzanas que deben ser asignadas
a territorios diferentes; wia, el valor de la actividad
aA (número de clientes, demanda de producto y
carga de trabajo) en el nodo i; τa, el parámetro de
tolerancia de la actividad a; μa, tamaño promedio
del terriorio a, dado por
; Ni, el
conjunto de nodos que son adyacentes al nodo i.
Las variables binarias de decisión se definen como
xij = 1 si la UB j se asigna al territorio con centro en
i; =0, de otro modo.
Modelo (AM)
Una de las dificultades principales en la resolución
de este modelo es el número exponencial de
restricciones de conectividad en (5), lo cual
implica que es prácticamente imposible escribirlas
explícitamente. Por lo tanto, consideramos en su
lugar el modelo relajado (AMR) de (AM), el cual
consiste básicamente de relajar estas restricciones
de conectividad (5) del Modelo AM.
Modelo (AMR)
La idea fundamental de esta propuesta (ecuaciones
9 a 15) es resolver el modelo AMR como un programa
entero mixto, y luego verificar si la solución obtenida
satisface las restricciones de conectividad. Si
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�Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, et al.
las satisface, la solución obtenida para el AMR
resuelve también el AM. Si no, se determina cuáles
restricciones de conectividad no se satisfacen,
agregando al modelo AMR una serie de restricciones
violadas. El procedimiento se repite iterativamente
hasta que la solución obtenida es totalmente conexa,
lo cual implica una solución óptima al modelo
AM. Esto se garantiza porque el problema de
separación que identifica las restricciones o cortes
que no se satisfacen se resuelve de forma exacta.
Una panorámica general del método se despliega
en la figura 1.
Función method
Input: Una instancia del problema TDP
Output: Una solución factible X al TDP
1 Resolver modelo AMR para obtener X;
2 Identificar conjunto C de restricciones de conectividad
del modelo AM que no satisface X;
3 Si |C|>0, agregar estas restricciones al modelo AMR
y volver al Paso 1;
4 Return X;
end method
Fig. 1. Pseudo-código del método de solución.
En el Paso 1, se usa un método de ramificación y
acotamiento dado que no se está relajando la condición
de integralidad de las variables binarias. Esta técnica
es motivada por el hecho de que el modelo AMR
puede resolverse óptimamente por métodos actuales
de ramificación y acotamiento relativamente rápidos
para instancias grandes. Por ejemplo, el modelo
AMR puede resolverse en aproximadamente 30 s
de CPU en una PC en instancias de 5000 nodos.
Además, el identificar y generar las restricciones o
cortes violados en el Paso 2 puede efectuarse muy
eficientemente en tiempo polinomial, de tal forma que
el procedimiento de solución visto globalmente parece
atractivo, siempre y cuando el número de iteraciones
requeridas para converger y alcanzar optimalidad no
sea muy grande. El algoritmo encuentra una solución
al modelo AM.
Existen varios puntos importantes en materia
de investigación de particular interés, tales como el
comportamiento empírico del método propuesto en
términos del número de iteraciones/cortes requeridos
para converger al óptimo. Además, el hecho de que
se está suponiendo un conjunto dado de centros,
lleva a investigar si se puede explotar este hecho
para desarrollar varias estrategias algorítmicas de
10
solución que permitan acelerar la convergencia del
método.
Estrategias algorítmicas para acelerar
convergencia
1. Fijar variables: Eliminación de asignaciones de
manzanas relativamente lejanas.
2. Fijar variables: Pre-asignación de manzanas
relativamente cercanas.
3. Fortalecer las restricciones de conectividad.
4. Encontrar desigualdades violadas.
Estas estrategias se plantean en detalle en un
trabajo anterior.20
TRABAJO EXPERIMENTAL
El tema central consiste en investigar el costobeneficio de las estrategias implementadas y el
mostrar su valoración científica y práctica. El modelo
fue implementado en el optimizador de programas
enteros mixtos X-PRESS de FICOTM (Fair Isaac,
antes conocido como Dash Optimization). El
método fue ejecutado en una PC con 2 procesadores
Intel Core a una velocidad de 1.4 GHz bajo el
sistema operativo Win X64. Para evaluar el método
propuesto, se utilizaron algunas instancias reales de
5000 y 10000 nodos y 50 territorios. En todos los
experimentos se utilizó τa = 0.10 para toda a A y
un intervalo de optimalidad relativa de 0.01% como
criterio de paro.
La tabla I muestra el efecto de cómo se reduce
el tamaño del problema bajo diferentes parámetros.
Las primeras dos columnas reflejan el tamaño de la
instancia original en términos de sus números de UBs,
de territorios y de variables binarias (NBV). La tercera y
cuarta columna despliegan los valores de los parámetros
β y γ empleados en cada ejecución, respectivamente.
La quinta columna (RNVB) muestra el número de
variables binarias después de la reducción. La última
columna muestra la reducción relativa lograda con
respecto al tamaño original dada por:
100 × (NBV − RNBV)/NBV
Como puede apreciarse, el número de variables
binarias en el problema reducido crece a medida que β
crece y γ decrece. Nótese que el caso β = 50.0 y γ = 0.0
implica que no se aplica ninguna reducción.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, et al.
Tabla I. Efecto de reducción del problema.
Tamaño
(n, p)
(5000,50)
NVB (np)
β
γ
250,000
3.0
0.50
3.0
0.10
3.0
3.0
4.0
4.0
4.0
4.0
8.0
8.0
8.0
8.0
(10000,50)
500,000
50.0
0.00
13,542
94.6
0.50
4.0
4.0
8.0
8.0
8.0
8.0
50.0
9,702
95.0
96.1
0.25
14,612
94.1
0.00
19,400
92.2
0.10
0.50
0.25
0.10
0.00
17,545
20,484
30,365
36,253
39,755
0.00
250,000
0.25
21,227
0.10
4.0
12,428
0.00
0.50
0.25
0.10
0.00
0.50
0.25
0.10
0.00
0.00
91.8
0.0
25,027
95.0
29,609
35,352
39,244
41,531
60,810
72,214
79,693
500,000
95.8
94.0
96.0
94.1
92.9
92.1
91.7
87.8
85.5
84.1
0.0
Resumiendo, la estrategia adoptada es la de
disminuir el espacio de soluciones factibles (para
hacer el problema más tratable) para abordar un
problema reducido que puede resolverse más
eficientemente sin una pérdida significativa de
optimalidad, para poder evaluar el costo-beneficio
entre calidad de solución y tiempo de cómputo para
diferentes valores de β y γ. Ahora se emplea el
método aquí propuesto a instancias de 5000 UBs con
50 territorios. En este experimento se fija γ = 0.0,
es decir, no se aplica la estrategia de conectividad
forzada.
La tabla II muestra los resultados obtenidos,
las primeras dos columnas indican los valores de
β y γ utilizados. La tercera y cuarta muestran el
número de iteraciones (NI) y tiempo de CPU (s).
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
4.0
0.50
0.25
0.00
0.50
0.25
0.10
8.0
0.00
0.50
0.25
0.10
85.5
84.1
γ
0.10
87.8
97.1
19,968
3.0
93.0
14,615
30,202
β
97.1
95.8
3.0
4.0
7,191
(5)
10,501
0.50
3.0
Reducción
0.25
3.0
3.0
RNVB
Tabla II. Resultados para la instancia (5000, 50).
50.0
0.00
0.00
NI
25
Tiempo
5β
38
118
50
186
46
44
60
48
54
48
63
37
61
54
158
146
262
223
264
330
457
305
576
1930
BestSol
IOR (%)
62.5056
0.0214
62.5027
62.4972
62.4978
62.5011
62.4986
62.4972
62.4957
62.5101
62.5002
62.4976
62.4956
62.4922
0.0168
0.0080
0.0089
0.0142
0.0102
0.0080
0.0056
0.0286
0.0128
0.0086
0.0054
0.0000
La quinta columna despliega el valor de la mejor
solución factible encontrada (BestSol) y la última
columna muestra el intervalo de optimalidad relativa
(IOR) entre esta solución y la solución óptima (que
corresponde a la fila β = 50.0 y γ = 0 cuando no se
aplica ninguna reducción).
Como puede verse en la tabla, la calidad de los
resultados es excelente, reportando desviaciones del
óptimo menores a un 0.03% en menos de 6 minutos
en todos los casos. Nótese que la estrategia mostrada
en la primera fila (correspondiente al caso β = 3.0
y γ = 0.50) tomó menos de un minuto, arrojando
una solución que está a menos de 0.02% del óptimo
global. La solución óptima (última fila) se obtuvo en
poco más de 30 minutos de CPU. En resumen, esta
tabla muestra que con las estrategias adoptadas es
posible encontrar soluciones casi óptimas reduciendo
el tiempo de cómputo a unos cuantos segundos.
A continuación, se ilustra el desempeño interno
del método como función del tiempo a través de las
iteraciones del algoritmo propuesto. Las figuras 2 y
3 muestran los resultados para dos casos diferentes
con valores (β, γ, δ) de (3.0, 0.25, 50.0) y (3.0, 0.25,
25.0), respectivamente. En cada figura se grafican las
siguientes medidas: (i) número de UBs desconexas,
(ii) número of territorios desconexos, (iii) número
de cortes agregados, y (iv) valor de la función
objetivo como función de las iteraciones, las cuales
se muestran en el eje horizontal. Las medidas (i)-(iii)
se toman en el eje vertical izquierdo y la medida (iv)
en el eje vertical derecho.
11
�Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, et al.
Fig. 2. Desempeño del algoritmo para la instancia (10000,
50) con β = 3.0, γ= 0.25, δ = 50.0.
Como puede apreciarse en la figura 2, las primeras
dos ejecuciones con alto valor del parámetro δ tienen
un comportamiento similar. El número de UBs
desconexas, de territorios deconexos y de cortes
agregados al modelo decrecen con el número de
iteraciones. Algo similar ocurre con el valor de la
función objetivo pero en sentido opuesto. En los otros
dos casos (figura 3) con valor bajo de δ, se presenta
un comportamiento diferente. Particularmente, el
valor de la función objetivo se mueve lentamente
conforme avanza el tiempo. En efecto, esta es la
razón por la cual se obtienen valores bajos en esta
función. De ambos modos, es importante señalar
que la metodología aquí desarrollada presenta un
modelo entero que asegura asignaciones enteras
en cada iteración y es importante verificar que tan
Fig. 3. Desempeño del algoritmo para la instancia
(10000,50) con β = 3.0, γ= 0.25, δ = 25.0
rápido evoluciona la heurística implementada para el
modelo entero de asignación y converge a soluciones
con un alto grado de conectividad.
La figura 4 despliega la solución gráfica de la
instancia de 5000 UBs, 50 territorios con tolerancia
de 0.05. La leyenda en el costado del grafo indica el
número de UBs contenidas en cada territorio, el cual
se identifica por un código de color diferente.
CONCLUSIÓN
El algoritmo computacional propuesto se enfoca
en resolver con eficiencia problemas de diseño
territorial de alta dificultad matemática (NP-duro)
para instancias de gran escala.
Los resultados son satisfactorios en la parte
Fig. 4. Resultado geográfico de un diseño territorial óptimo de la ciudad de Monterrey con 5000 UBs.
12
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, et al.
computacional y económica. La metodología
puede ser extendida para dar tratamiento a diversas
variables de actividad simultáneamente, con lo que
se pueden incorporar diferentes reglas de negocio
y criterios de planificación. La aplicación directa
de la propuesta tecnológica para la operación de
una compañía embotelladora, se traduce en una
mayor eficiencia en el aprovechamiento del equipo
de transporte y en general en la disminuciòn del
costo operativo de la distribución secundaria. El
sistema propuesto considera las restricciones de
ventana de horario de los clientes para el óptimo
diseño territorial, reduciendo los trayectos muertos
y se asegura la atención de una mayor cantidad de
clientes en un menor tiempo y con el menor uso
de recursos.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo de investigación ha sido financiado
por el CONACYT (apoyos CB05-01-48499-Y y
CB11-01-166397) y por el PAICYT de la UANL
(apoyos CE012-09, CS470-10, IT511-10, CE72811, HU769-11).
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Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Standard profile for use of
IEEE std. 1588-2008 precision
time protocol (PTP) in power
system applications
G. S. Antonova, A. Apostolov, D. Arnold, P. S. Bedrosian, Ch.
Brunner, D. Ph. Bui,
IEEE PES PSRC Working Group H7/Sub C7 members and guests
correoelectronico@
ABSTRACT
This paper provides a summary of the IEEE C37.238-2011 standard,
which specifies a subset of PTP parameters and options to provide global time
availability, device interoperability, and failure management. This set of PTP
parameters and options allows IEEE 1588-based time synchronization to be
used in mission critical power system protection, control, automation, and data
communication applications utilizing Ethernet communications architecture.
KEYWORDS
IEEE 1588, PTP, protective relaying, smart grids, time distribution.
RESUMEN
Este trabajo proporciona un resúmen del estándar IEEE C37.238-2011, el
cual especifica un subconjunto de parámetros PTP y opciones que proporciones
disponibilidad global de tiempo, interoperabilidad del aparato, y manejo de fallas.
Este conjunto de parámetros PTP y opciones permiten que la sincronización de
tiempo basada en el IEEE 1588 sea utilizada en las aplicaciones de protección,
control, automatización y comunicación de datos del sistema de poder crítico a
la misión, utilizando arquitectura de comunicaciones Ethernet.
PALABRAS CLAVE
IEEE 1588, PTP, protective relaying, smart grids, time distribution.
Artículo presentado
en el XI Simposio
Iberoamericano Sobre
Protección de Sistemas
Eléctricos de Potencia,
UANL (2013) 101–109
reproducido con permiso
del editor y los autores.
INTRODUCTION
Until relatively recently the time synchronization of electronic devices in
power systems has been realized via dedicated wiring used for distribution of
IRIG-B or 1PPS signals. IRIG-B has the accuracy for the newest substation
application technologies: however it requires dedicated cabling to distribute the
timing signals, which while providing a simple and reliable connection, imposes
limitations on scalability, and increases deployment and maintenance costs. 1PPS
is an even simpler method of distributing time which relies on precise time pulses
every second distributed over dedicated wiring. These pulses however do not
carry time-of-day information.
Modern intelligent electronic devices (IEDs) capable of Ethernet
communications presented an opportunity for the introduction of new methods
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
15
�Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al.
of time synchronization based on network protocols,
such as Network Time Protocol (NTP) or Simple
Network Time Protocol (SNTP); however, these
protocols do not meet the required accuracy for all
power system applications.
IEEE 1588 is another network-based time
synchronization protocol that meets the submicrosecond accuracy requirements for the most
demanding substation applications such as IEC
61850-9-2 Process Bus or IEEE C37.118.1-2011
Synchrophasors; however it needed a PTP profile
customized for power system applications which
is now available with the IEEE C37.238-2011
Standard.
IEEE 1588 and PTP Profiles
I EEE St an da rd fo r a P re ci s io n Cl ock
Sy nchr oni zat ion Protoc ol for Net worked
Measurement and Control System was initially
released in 2002 and revised in 2008, the IEEE Std.
1588-2008.1
The standard describes a protocol for distributing
time with submicrosecond time accuracy over various
communication technologies, such as Ethernet,
UDP/IP, DeviceNet, etc. The key advantages of
this standard are that timing can be distributed over
the same network as application data, and time
accuracies generally not achievable by other time
distribution protocols become possible.
PTP Profiles
The IEEE Std 1588-2008 standard specifies many
new features of the Precision Time Protocol (PTP),
mandatory and optional, including conceptually new
devices (transparent clocks), new message formats, etc.
Development of this version was driven by five main
industries: test and measurement, telecom, industrial
automation, power and military. As a result, it was
impossible to specify a single set of interoperable
functions, as requirements for these industries differ
significantly. To address this challenge a concept
of PTP profile was introduced, as a clearly defined
subset of protocol features, the use of which will
meet specific industry requirements. Two default
profiles are defined in the Annex J of the IEEE 15882008.1 Industries were encouraged to define their
own PTP profiles to address specific requirements
16
of their applications. Currently active PTP profile
developments are briefly described below.
The PTP profile specified in IEEE Std. 802.1AS2011 is for time-sensitive applications in bridged
Local Area Networks.2
It was developed by the 802.1 AVB (Audio/Video
Bridging) Task Group of the IEEE 802 standards
body which is responsible for Bridging,3 Ethernet,4
and Wi-Fi,5, 6 among others. The initial applications
include professional A/V studios and “live sound”,
home theatre, and automotive infotainment systems.
The profile defines a Simple Network Management
Protocol (SNMP) Management Information Database
(MIB) for configuration, status and control.
PTP profiles for telecom industry are being
developed under ITU-T Study Group 15 Question
13. An approach was chosen to develop multiple
profiles and devices to address specific application
services. These services fall into two classes:
• Frequency-only services–required to support
the wander requirements of PDH or SONET/
SDH transport and support the synchronization
needs of frequency division duplex (FDD)
cellular communications systems. ITU-T
Recommendation7 contains the telecom profile
for frequency based services.
• Frequency, time and phase-based services–
required to support the synchronization
needs of time division duplex (TDD) cellular
communications systems, enhanced multimedia
broadcast/ multicast service (MBMS), Long
Term Evolution (LTE) Advanced services and
other applications required high precisión time
or phase-based synchronization.8
Other industries have also developed or are
developing PTP profiles. PTP profile for test and
measurement industry was developed by LAN
eXtensions for Instrumentation (LXI) consortium.9
Society of Motion Pictures and Television Engineers
(SMPTE) currently is developing a PTP profile.10
The Internet Engineering Task Force (IETF)
community in TICTOC (Timing over IP Connection
and Transfer Of Clock) Working Group, is currently
not developing a PTP profile.11 It works on an SNMP
MIB for generic PTP, security issues related to
packetbased timing, and on transport of PTP over
Multiprotocol Label Switching (MPLS).
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al.
PTP Power Profile
The primary need for developing a specialized
PTP profile for power system applications is based
on the specific substation network architectures,
data exchange mechanisms, and performance of
time distribution service required for power system
applications.
The profile is optimized for operation on
isolated Ethernet networks with strict segregation
of functions and a small number of dedicated
grandmaster-capable clocks. Such networks
are typical for power substation environment
and are normally engineered (pre-configured)
with static master/slave assignments, etc. It is
important to note that these networks have to
operate continuously (24/7) and need to exhibit
deterministic (preprogrammed) failure behavior
(scenarios include formation of operational islands,
change of a grandmaster, etc).
The performance of a time distribution service and
required time accuracy depend on power application
needs and vary from 100 ms (for substation
monitoring), 1 ms (for IED event recording) to 1 s
(for synchrophasor measurements and IEC 61850
sampled values service). The accuracy requirements
for time synchronization messages are defined in IEC
61850-5 standard.12 Since all of these applications
require performance which can be supported by
synchronization at the 1 s level of accuracy
(corresponding to ~0:02 degree error at power line
frequency), the Working Group chose that level of
performance for IEEE C37.238. Therefore a single
time distribution service based on IEEE C37.238 can
meet the requirements for all local and wide-area
power system applications. Sections below describe
timing requirements for two applications: IEC 61850
process bus and synchrophasors. The process bus can
operate with local or relative time synchronization
with the ability to create operation islands, while
synchrophasors applications require synchronization
to the global time.
Timing Requirements for IEC 61850 Process
Bus
IEC 61850 introduces the concept known as
“process bus” to substation automation systems.
Although not necessarily implemented as a
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
physically separate communication network, process
bus concept introduces the possibility of connecting
process equipment, such as switchgear and
sensors, directly via a digital interface to the rest
of the system. Instantaneous current and voltage
measurements are transmitted using the IEC 618509-2 “Sampled Values” (SV) service. At the point
of use individual measurement samples must be
synchronized to each other.
The easiest way to achieve sample synchronization
is to digitize all mutually dependent signals (complete
protection zone) within the same device (“merging
unit”). Unfortunately this concept does not scale (has
difficulties addressing large substations). Multiple
merging units can further be synchronized to each
other by using 1 PPS pulses, IRIG-B or PTP based
technologies.
IEEE C37.238 fulfills the requirements of
IEC 61850-5 for all synchronization classes. It
is expected to replace point-to-point and other
solutions which also fulfill these requirements since
it does not require additional wiring. A concept of
how to deploy a synchronization network based on
IEEE C37.238 is suggested in IEC 61850-90-4. 13
The handling of redundant paths is described in IEC
62439-3 Annex A.14
The advantages of the PTP power profile
include Layer 2 transmission, message priority,
GrandmasterID TLV etc. and are described in this
document.
Timing Requirements for Synchrophasors
Phasors are used to represent periodic signals
in power system and other signal analysis.
Synchrophasors are phasors that are synchronized to
Coordinated Universal Time (UTC) or International
Atomic Time (TAI) using a precise reference such as
GPS or IEEE 1588. The standard IEEE C37.118.12011 15 defines synchrophasors for power systems
and describes their estimation from power signals
using a phasor measurement unit (PMU).
Synchrophasors measured using a common time
reference can be compared directly for power system
analysis. PMUs thus allow measuring power system
signals over a wide area and using the measurements
directly for real time and off line analysis.
17
�Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al.
The C37.118.1 standard defines a cosine at
the nominal frequency synchronized to UTC as
synchrophasor time reference.
Thus if the power signal is exactly at the nominal
frequency and has a positive maximum at the UTC
second rollover, the phase angle will be 0 degrees.
Since the phase angle is determined by the time
reference, any deviation time will result in a phase
angle displacement. For example, with a 60 Hz
power signal, a 50 s time deviation will displace
the phase angle measurement by 1.08 degrees.
This standard also describes measurement
requirements and validation methods for assuring
the measurement. Accuracy for synchrophasor
measurements is determined by Total Vector Error
(TVE) which compares the true and estimated phasor
values. Both magnitude and phase angle are included
in the TVE calculation.
1% TVE is the basic required accuracy (at steady
state). A phase angle error of 0.57 degrees gives a 1%
TVE. This translates to a time error of ±26 s for 60
Hz system and ±31 s for 50 Hz system. Since this is
the maximum error that is allowed, the timing input
must be much more accurate than this. The more
accurate the time reference is, the more accurate the
PMU measurements; and an accurate source of time
can also allow reduction in cost of the PMU. It has
been generally agreed that since ±1 s time accuracy
is readily achievable, that this is a reasonable target
accuracy for PMU timing inputs.
Whereas IEEE C37.118.1 calls for synchrophasor
timestamps from a timescale using leap-seconds, the
IEC deprecates this, calling instead for the use of a
timescale without leap-seconds.
Though the epoch chosen (start of 1984) is
different from PTP (start of 1970, TAI), the offset
is an easily-handled constant by IEDs using IEEE
1588 clock sources (not so by IEDs using IRIG clock
sources). This change avoids future problems due to
satellite clocks, IEDs, data formats and applications
software incorrectly handling leap-second events.
PTP power profile achieves the above goals by
relying on Layer 2 Ethernet transport mapping,
selecting the peer-to-peer delay measurements
to improve and bound the convergence time on
grandmaster change and establishing the overall
steady-state synchronization requirement of 1 s
18
worst-case time error over 16 network hops.
The IEEE C37.238 Standard Profile for the Use of
IEEE 1588 Precision Time Protocol in Power System
Applications was developed by the Working Group
(WG) H7 of the Power System Relaying Committee
(PSRC) jointly with WG C7 of the Power System
Substation Committee, both belonging to the IEEE
Power and Energy Society (PES) in coordination with
IEC Technical Committee 57 Working Group 10.
IEEE C37.238 PARAMETERS
IEEE 1588-2008 Clause 19 introduced the concept
of a PTP profile, as a clearly defined subset of PTP
protocol features, the use of which will meet specific
industry requirements. Following this guidance, IEEE
C37.238-2011 standard specifies PTP power profile
that consists of IEEE 1588-2008 parameters and
additional profilespecific parameters. Comparison
between PTP power profile, and the peer-to-peer
default PTP profile, specified in IEEE 1588-2008
Annex J.4, is given in table I. These parameters
and IEEE C37.238 selections are discussed in more
details in the subsequent sections.
IEEE 1588-2008 parameters included into IEEE
C37.238 PTP Power Profile are:
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al.
• 1 s intervals for PTP messages
• Multicast communications and Layer 2
mapping
• Peer-to-peer path delay measurement
• One-step and two-step clocks
• Default Best Master Clock Algorithm, and
• Local Time Type Length Value (TLV)
extension
Profile-specific parameters include:
• Pdelay option for slave-only clocks
• IEEE 802˙1Q tags
• IEEE C37 238 TLV
• IEEE C37.238 MIB
• Steady-state performance requirements
• Mappings for IEEE C37.118 and IEC 61850
protocols
• IRIG-B replacement mode
IEEE 1588 Parameters
IEEE C37.238 specifies the following IEEE
1588-2008 parameters.
Sync and Announce messages interval
values
IEEE 1588-2008 specifies a message-based
Precision Time Protocol (PTP). PTP messages can
be divided into 3 categories based on their function,
as messages for:
• Distributing time (Sync, Follow Up messages)
• Selecting the best clock (Announce messages)
• Measuring path delay (Pdelay messages)
The IEEE 1588 allows for a wide range of
message intervals, to accommodate the large variety
of applications the standard is expected to support.
However, to guarantee interoperability and simplify
device configuration IEEE C37.238 sets each of
the message interval to once per second (see table
II), support for other intervals is not required.
This selection is based on WG philosophy to use
mandatory and fixed choices whenever possible.
In addition the IEEE C37.238 profile sets the
announce timeout interval to 2 s for preferred
grandmaster clocks and 3 s for other devices. This
provides faster grandmaster recovery using the Best
Master Clock algorithm.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
Communication model and transpor t
mapping
PTP messages can be carried over different
underlying communication protocols. IEEE 15882008 specifies transport mapping to UPD/IP, Layer
2 / Ethernet, DeviceNet, etc. A given PTP profile
should specify transport mapping, type of addressing
(e.g.multicast or unicast) and addresses used.
The IEEE C37.238 standard specified the use
of multicast messages and IEEE 802.3/Ethernet
transport mapping, specified in Annex F of IEEE
1588-2008. In addition, it requires the use of IEEE
802.1Q tags, described in section 2.2 on profilespecific parameters.
Path delay measurement mechanism
The IEEE 1588 standard includes two different
methods to measure message delays in the network,
so that the effects can be corrected in the clocks. With
End to end delay measurements, masters and slaves
exchange messages to measure the delay between
them. Alternatively in the peer delay measurement
method, messages are exchanged between adjacent
devices on the network to calibrate the link delay
between them. In the peer delay mechanism each
network element corrects for the delay of inbound
sync messages using the previously measured link
delay.
In IEEE C37.238 only the peer-to-peer delay
mechanism is used. The advantage of this approach is
that all link delays are premeasured as a background
task by network elements. Therefore, if the Sync
messages abruptly change paths, due to the failure
of a network element, then the message delay of the
new path is already measured, and is immediately
19
�Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al.
corrected. This is achieved by devices exchanging
peer delay messages on network ports that are
otherwise blocked by Spanning Tree protocols. In
addition, network loading on the grandmaster is
reduced since it does not have to respond to Pdelay
Req messages from every slave.
The peer-to-peer delay mechanism requires both
devices on a link to exchange Pdelay Req and Pdelay
Resp messages in both directions. Further, requests
and responses must be correlated.
Because of the desire to accommodate simpler
slave protocol logic, the IEEE C37.238 standard
gives the slave-only devices the option of not
executing peer delay measurements. This is further
explained in section 2.2.
Clock types: One-step and two-step
The IEEE 1588-2008 standard specifies two
types of clocks: onestep and two-step clocks. The
main difference between them is that one-step clocks
update Sync messages that carry grandmaster’s
time on-the-fly, by overwriting the “approximate”
timestamp with the actual precise time of when the
Sync message is egressing the clock and is hitting
the communication media, while twostep clocks
require an additional message called Follow up to
transmit this precise time, One-step clock require
special hardware assistance to update Sync messages
on-the-fly.
The IEEE C37.238 standard specifies the
use of both one-step and two-step clocks. It also
recommends the use of one-step clocks, as it results
in less network traffic and potentially simpler
implementations. The use of two-step clocks is also
supported because of their early availability and
use. Expanding use of PTP has driven continued
development and presently both one-step and twostep clock chips are commercially available.
All peer-to-peer transparent clocks accurately
measure the residence time that is the time that
Sync messages spend inside an Ethernet switch
(transparent clock), as well as the communication link
delay between devices. One-step transparent clocks
provide residence time value in the correctionField of
the Sync message, while two-step transparent clocks
put this value in the correctionField of the Follow
Up message. A similar process applies for Pdelay
20
Resp and Pdelay Follow Up messages that are used
to measure communication link delay.
If a two-step transparent clock is connected to
a one-step clock, it should operate as defined in
subclasses 11.5.2.2 and C.3.6 of the IEEE 1588.1
When it receives a Sync message from onestep
clock with the twoStepFlag set to False, it should
set the twoStepFlag to True and send an updated
Sync message. As it will not receive a Follow
Up message from the one-step clock, the clock
should generate a new Follow Up message with the
correctionField information. PTP fields sequenceId
and domainNumber should be copied from the Sync
message to the new Follow Up message.
As specified in subclass 11.2 of the IEEE 15881 a
slave clock should use the sum of the CorrectionField
values in the Sync and Follow Up messages to
compensate for delays in communication links and
Ethernet switches.
Best master clock algorithm
IEEE 1588-2008 supports automatic selection
of the best master clock in the system, upon initial
setup and any reconfiguration / changes. It specifies
default Best Master Clock Algorithm (BMCA)
that uses Announce messages to select the best
Fig. 1. Conversion between one-step and two-step
clock.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al.
master. ClockClass, ClockAccuracy, and clock’s
MAC address can be used for selecting the best
clock. Configurable Priority fields are provided for
controlled best master selections.
IEEE C37.238 standard specifies the use of
default best master selection algorithm with one
addition: only preferred grandmaster clocks shall
advertise themselves as potential grandmasters by
sending Announce messages. This is selected to
reduce network traffic and network convergence
time during grandmaster selection.
It is expected that substation networks would have
2 or 3 preferred grandmaster clocks for redundancy;
other devices should be slave-only.
Local time TLV
IEEE 1588-2008 specifies Type Length Value
(TLV) mechanism for protocol extensions, if needed.
It also defines a number of IEEE 1588 TLVs that can
be used by industry-specific PTP profiles.
One of these TLVs is ALTERNATE TIME
OFFSET INDICATOR TLV specified in the IEEE
1588 section 16.3. The TLV allows the grandmaster
clock to send time zone related settings to slave
devices.
It is a requirement for IEEE C37.238-compliant
grandmaster clocks to add an ALTERNATE TIME
OFFSET INDICATOR TLV to its Announce
messages. A node (for example an IED) requires
additional information if it needs to relate its own
local time to UTC time. This TLV has a current
Offset data field and therefore can provide the data
required to convert the UTC-based time information
into local time the requirement to include this TLV
ensures that all applications migrating their time
synchronization solution from IRIG-B to IEEE
C37.238 can rely on receiving this information when
switching to IEEE C37.238.
The ALTERNATE TIME OFFSET INDICATOR
TLV also supports indicating a time jump (e.g. an
upcoming daylight savings time change event).
A grandmaster clock is allowed to send multiple
ALTERNATE TIME OFFSET INDICATOR
TLVs (although additional TLVs have to be added
after the two mandatory TLVs, i.e. after the first
ALTERNATE TIME OFFSET INDICATOR TLV
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
and the IEEE C37 238 TLV which is also mandatory
is described in section 2.2). A posible scenario for
this is a network environment that spans more than
one time zone.
Profile-Specific Parameters
IEEE C37.238 standard includes the following
profile-specific parameters.
Pdelay option for slave-only clocks
IEEE C37.238 standard supports simple slaveonly devices, e.g. fault recorders, etc. To maintain
simple implementations for such slave-only devices,
Pdelay measurement on the last communication link
to these devices is optional. This means that the delay
of the last link in the path between the master and
slave is not required to be compensated when setting
the time at the slave.
Often this error in the overall path delay
calculation is aceptable for the length of this link
and the accuracy desired. For example, the delay
in a CAT 5 UTP or silica glass fiber optic network
cable is approximately 5 ns/m, and therefore the
error introduced by a 5 m long cable is only 25 ns.
(IRIG-based timing systems do not automatically
compensate for cable delays.)
IEEE 802.1Q tags
The IEEE C37.238 standard requires that all
messages comply with the IEEE 802.1Q protocol
which inserts a tag into each frame; these tags have
two fields of interest:
• The frame’s priority (3 bits)
• The frame’s VLAN membership (12 bits)
The main reason is to include the priority field
that enables mission-critical traffic (like substation
protection messages) to have priority over less
critical traffic (like file transfers), when competing
for the same switch port.
The VLAN field enables applications to be
separated so that the cables to each application’s
IEDs only carry messages intended for these
application’s IEDs (thereby enhancing the messages’
security and dependability). Note that this does not
preclude distribution to all IEDs if it is required by
the applications.
21
�Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al.
The WG felt that some, but not all, installations
would require the use of these IEEE 802.1Q tags.
The guiding philosophy that “all options must
be justified” (and no justification surfaced) then
drove the decision to mandate the use of this IEEE
802.1Q protocol. Default values of the parameters in
the IEEE 802.1Q tags were selected to be the same
as those in IEC 61850-9-2 specification: the default
priority is equal to 4 and the default VLAN ID (VID)
is equal to 0 (priority only frames).
VLANs can offer the following benefits:
• Blocking security threats
• Improved message dependability (from the
reduction of traffic)
• Message confidentiality (IEDs cannot monitor
messages from other applications)
• Allowing several IEEE 1588 time-distribution
systems on the same network, e.g.
IE EE 8 02 .1 AS and IEEE C37.238 (to
simultaneously support audio/video networked
applications)
A plurality of IEEE C37.238 systems (each
IED receives multiple sources, for extra
dependability).
Note that the use of VLANs is not a panacea for
the droppedpackets and latency-jitter arising from
network congestion (it only helps); good traffic
engineering is still needed. For more information
on VLANs refer to.3
Note also that as with many other performance
features, no assumptions should be made regarding
the ability of switches under consideration to support
the ingress and egress of IEEE 802.1Q-tagged traffic
(some switches always remove tags from the frames
egressing “edge” ports). By default, all devices are
expected to accept IEEE C37.238 messages that have
had their IEEE 802.1Q tags removed, and tagged IEEE
C37.238 messages with their configured VID value.
IEEE C37 238 TLV IEEE C37.238 standard
specifies mandatory profile-specific IEEE C37 238 TLV
It contains
•
GrandmasterID
•
GrandmasterTimeInaccuracy
•
NetworkTimeInaccuracy
22
IEEE C37.238 slave clocks may find themselves
in the position of serving time (timestamped data)
to other applications. In doing so, slaves must be
able to accompany their data with precise indication
about their clock quality and the exact identity of the
grandmaster clock to which the slave is synchronized
at that time.
Under stationary conditions any given IEEE
C37.238 time distribution network can have only one
grandmaster. However, during transient conditions
(such as fragmentation and rejoining of islanded
network segments caused by unexpected network
failure) it is possible that the data from different
slaves may reach their destination before IEEE
C37.238 has time to re-elect the new grandmaster.
Power system applications using such data must be
able to identify that the data supplied by different
slaves is not synchronized with each other and to
correctly react to this situation.
Both IEEE 1588 and therefore IEEE C37.238
have a unique 8-octet field called clockIdentity. This
field is sufficient to uniquely identify the applicable
grandmaster clock. Unfortunately, message payload
limitations of several power grid applications; most
notably the IEC 61850-9-2 SMV data exchange
make it necessary to transmit this information using
a single octet field. To enable such applications the
IEEE C37.238 mandatory TLV includes a 2-octet
field named GrandmasterID. On any given network
GrandmasterID must be unique and is normally
assigned (set) during configuration. Most significant
octet of the GrandmasterID is reserved and must
be set to 0. Other values are illegal and indicate
GrandmasterID field is not configured.
The dynamic indication of the received clock
quality can be deduced from the TimeInacuracy
parameters. IEEE 1588 has 8-bit clockAccuracy
parameter to communicate clock quality, however
this parameter is often set once in clock hardware and
does not change depending on current conditions. It
also has predefined allowed values with large steps,
thus its resolution is insufficient.
IEEE C37.238 TimeInaccuracy is defined as
a device’s estimate of current worst-case time
error (its magnitude) between time that the device
provides and traceable time. There is GrandmasterTimeInaccuracy, provided by grandmaster-capable
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�Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al.
devices, and optional NetworkTimeInaccuracy,
provided by the time distribution network. The
NetworkTimeInaccuracy is a compound field that
allows accumulation of time errors provided by each
network device. This allows capable network devices
(transparent clocks) to report their current worst-case
time error, so that the slave devices can account for
the time error introduced by the network.
Note that if network devices are not capable of
adding their current worst- case time error, they can
add their maximum time error of 50ns, as specified
in IEEE C37.238 Annex B, To estimate the current
quality of the received clock, slave devices can
add received GrandmasterTimeInaccuracy and
Network- TimeInaccuracy, if provided. Note that
for network engineering purposes the IEEE C37.238
standard also provides Engineered- TimeInaccuracy,
which contains the worst NetworkTimeInaccuracy
from a given device to all preferred grandmasters.
All these parameters are 32-bit unsigned integers
in nanoseconds that allows for a range of 0 to
approximately 4.29 s, with one nanosecond
resolution.
In addition to distributing GrandmasterID and
TimeInaccuracy parameters, the IEEE C37.238
TLV provides a mechanism for PTP Power Profile
Identification.
IEEE C37.238 MIB
For system-wide configuration and status
monitoring of the devices over a communication
network, the IEEE C37.238 standard specifies the
IEEE C37.238 MIB for use by SNMP. The MIB
is required only for grandmaster-capable devices.
It includes objects for boundary / ordinary clocks
and transparent clock objects that are aligned with
IEEE 1588-2008 datasets, plus profile-specific
parameters. Among profile- specific parameters are
GranmasterID, TimeInaccuracy, discussed earlier,
as well as OffsetFromMaster- Limit, which should
be set to the max allowed time error for a given
application, for example it could be set to 1us. In
addition, the MIB includes SNMP events (traps) that
report a change of grandmaster, that another PTP
profile is detected, that offset from master exceeded
configured OffsetFromMasterLimit, etc. Note that
local configuration and status monitoring could be
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
added and supported by implementations, if it is
required by the application(s).
Steady-state performance
The IEEE C37.238 standard defines steady-state
performance requirements for the time distribution
service to the end devices. Requirements for the
end devices are application-specific and are not
specified. Annex B of the IEEE C37.238 standard
states that a time shall be distributed over 16 network
hops with 1 s time accuracy at the input to the end
device. The time reference source can contribute
less than 0.2 s to the total time error, and network
devices (transparent clocks) can contribute up to 50
ns each. The steady-state performance is defined
for network loads at 80% of the wire-speed. IEEE
C37.238 time distribution network is shown on
figura 2. In addition, to support quality of time
distribution service during grandmaster change, the
IEEE C37.238 standard specifies holdover drift for
grandmaster-capable devices to be within 2 s for
up to 5 s at a constant temperature.
Mapping into IEEE C37.118.1/2 and IEC
61850
The IEEE C37.238 standard’s Annex C suggests
the mapping of IEEE C37.238 parameters into IEC
61850 family of standards (IEC 61850-7-2 IED
timestamping, IEC 61850-8-1 GOOSE messages
and IEEE 61850-9-2 SMV) and IEEE C37.118.1/22011 synchrophasor formats. It suggests the mapping
of the time error estimate and traceability to a
recognized standard time source. This information is
required for both IEEE C37.118.1/2 and IEC 61850
applications, thus a guidance is provided to facilitate
the use of IEEE C37.238 for these applications.
IRIG-B replacement
IEEE C37.238 standard provides an informative
Annex C to suggest how slave-only IEDs could
decipher the IEEE C37.238 figure 2. IEEE C37.238
steady-state performance requirements messages into
any of the timescales in common use; namely PTP,
UTC, and local time (with DST when in use); plus
how to correctly handle leap-second events. This is
because many s5acks by others.
23
�Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al.
Fig. 2. IEEE C37.238 steady-state performance requirements.
Loss of timing due to antenna not receiving
signals
E.g. from growth of trees and buildings, or from
antenna or cable failures.
Wrong time
E.g. from GPS network faults or from malicious
signal spoofing.
Some mitigation technologies to consider
include a backup antenna, alternate timing sources
(e.g. GLONASS4, WWVB5), a local high-stability
oscillator (a tradeoff between cost and outageduration
tolerance), and terrestrial based distribution methods
based on SONET or IEEE C37.238 / PTP systems
in the future.
Although these concerns are real, presently many
hundreds of thousands of GPS receivers are in use in
the power and telecom industries with outstanding
reliability and availability. GPS and other GNSS
systems including GLONASS and Galileo will likely
be, for the foreseeable future, the most reliable and
cost-effective means to provide accurate time and
frequency distribution to geographically-diverse
locations.
Network Security
The use of a network protocol (Ethernet)
obviously makes the IEEE C37.238 time-distribution
24
more susceptible to disruptions than would be
expected in the traditional IRIG-B installations.
There are two approaches for guaranteeing the
integrity of traffic on Ethernet networks:
• Cipher security
• Circuit isolation
IEEE C37.238 does not provide a cipher security
algorithm since none is provided by the IEEE
1588 standard. (IEEE 1588- 2008 does provide
an informative Annex K with an “experimental”
protocol, but this has not been considered useful.)
The second approach is the one recommended
by the IEC security standard IEC 62351-6, which
in clause 4.1 states: “For applications. . . requiring 4
ms response times, multicast configurations and low
CPU overhead, encryption is not recommended.
Instead, the communication path selection process
(e.g. the fact that GOOSE and SV are supposed to
be restricted to a logical substation LAN) shall
be used to provide confidentiality for information
exchanges.”
The requirement for IEEE C37.238 messages to
be IEEE 802.1Q compliant enables this approach.
The network switches must of course have their
ports configured securely (e.g. using SNMPv3) and
appropriately (the correct VLAN assignments to the
ports’ blocking, and passing, VLAN lists).
EEE C37.238 time-distribution networks can
therefore be secured using IEC 62351-6.
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Timescales
The purpose of IEEE C37.238 is for IEDs to
provide timestamps for events; however the PTP
timescale use differs from the timescales in general use
by substation IEDs; for this reason the IEEE C37.238
standard provides guidance for the conversions to
these timescale in informative Annex C.
The PTP timescale was created around the start of
the current millennium by the IEEE 1588 Working
Group when it was found that there was no standard
timescale (from an approved standards organization)
with a defined epoch (start). (A common view that
TAI has a defined epoch is incorrect.)
The WG chose their PTP epoch to be the start
of 1970 on the TAI timescale. (This was 8.000082
seconds before the start of 1970 on the UTC
timescale.)
To support applications requiring UTC time (the
majority of power applications presently use UTC
time), the PTP messages contain a “currentUtcOffset”
field whose value is the number of seconds by which
TAI is ahead of UTC. (This changed from 34 to 35
seconds at the start of July 2012.)
Though both IEEE C37.118 and IEC 61850-7-2
specify that their timestamps’ epoch shall be the
start of 1970 on the UTC timescale, in practice all
implementations use an epoch 82 _s later (when
the UTC second rollover was aligned with the TAI
second rollover), allowing the simple conversions:
IEEE C37.118 “SOC” = PTP Time (s)“currentUtcOffset” IEC 61850 “SecondsSinceEpoch”
= PTP Time (s){“currentUtcOffset” with IEC
61850 “LeapSecondsKnown” field = “True” For
syncrophasor IEDs, IEC 61850-90-5 specifies the
transport of syncrophasor messages using both the
IEC 61850-8-1 protocol (for events, e.g. GOOSE)
and the IEC 61850-9-2 protocol (for streaming data,
e.g. SV), with the recommendation that for both cases
TAI be used for all timestamps. The demonstrated
difficulty (e.g. satellite clock hiccups) of correctly
handling leap-second events, plus the timestamp
ambiguities arising from seconds being repeated, has
motivated many groups to deprecate the use of UTC
for timestamps (handling the conversions only when
presentations in UTC (or local time) are required on
HMI displays).
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For IEC 61850 this can be handled by setting:
IEC 61850 “LeapSecondsKnown” = “False”
with
IEC 61850 “SecondsSinceEpoch” = PTP Time (s).
Future Support for Wireless Links
The communication of precise time over wireless
links is an area of interest for a future version of IEEE
C37.238, and is under study.
Unlike modern Ethernet links, which are full
duplex and maintain a consistent bit rate and link
delay over time, wireless network links provide no
such guarantees. Indeed, retransmissions, frame
aggregation (MAC or PHY) and bit rate variability
can result in orders of magnitude worse jitter which
is are not comprehended in the current version of
IEEE 1588, making interoperable submicrosecond
accuracy difficult.
One promising option under investigation for
IEEE 802.11 links5 is a recent amendment to the
wireless standard that defines measurement of
transmit/receive times and wireless link delays that
are independent of the sources of perturbation listed
above.
It’s called the TIMINGMSMT primitive and is
defined in IEEE 802.11v.6
It should be possible to satisfy the requirements
of IEEE C37.238 over wireless links using this
approach, but few measurements from devices that
implement IEEE 802.11v TIMINGMSMT have been
published at this time. Also, this time measurement
approach must be harmonized with Ethernet PTP
measurements and synchronization. It is promising
that an audio-video profile of IEEE 1588 specified
in IEEE 802.1AS2 has demonstrated the feasibility
of such harmonization.
CONCLUSIONS
The IEEE C37.238-2011 standard specifies the
PTP power profile for power system applications.
The profile is optimized for use in specific power
substation network architectures and meets timing
requirements of the most strenuous power system
applications.
25
�Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al.
ACKNOWLEDGMENT
The Working Group would like to thank all
contributors who made the generation of the PTP
power profile and this paper possible: Members and
Guests of the IEEE PES PSRC Working Group H7,
IEEE PES Substation Working Group C7, IEC TC57
WG 10, IEC TC38 WG37, IEEE PSRC Working
Groups H11 and H19, and the whole power and
timing communities for their dedication, guidance
and support.
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Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Recuperando el paso en la
evaluación del aprendizaje
en línea en la era digital: Una
aproximación conexionista
Guadalupe E. Morales MartínezA, Ernesto O. López RamírezA,
María Isolde Hedlefs AguilarB, Claudia Jaquelina González
TrujilloC,
Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Psicología, Laboratorio
de Ciencia Cognitiva
B
Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica
y Eléctrica, Doctorado en Ingeniería con acentuación en computación y
mecatrónica
C
Universidad de Monterrey Departamento de Educación
elopez42@att.net.mx
A
RESUMEN
Se implementó una red neural simulada capaz de identificar cuando un estudiante
integra o no en su memoria a largo plazo el nuevo conocimiento a aprender, lo
cual es útil para identificar a los estudiantes que tienen retención de corto plazo y
que logran pasar el examen, pero que no adquieren competencias de largo plazo.
Dicho sistema computacional evalúa en estudiantes los tiempos de reconocimiento
de palabras centrales a un curso. Si el estudiante integró en su memoria a largo
plazo el esquema de conocimiento que sustenta el conocimiento entonces el sistema
reconocerá por sus tiempos de respuesta que así fue. Se argumenta que esta forma
cognitiva de evaluar el aprendizaje en línea permite avanzar sobre un estancamiento
notable de evaluar el aprendizaje en línea en la actualidad.
PALABRAS CLAVE
Redes semánticas, facilitación semántica, conexionismo, aprendizaje en
línea.
Artículo basado el trabajo
“Nuevas direcciones
empíricas en la
investigación e innovación
de tecnología educativa
para la evaluación del
aprendizaje en línea:
una aproximación
conexionista”, Premio
de Investigación UANL
2 0 1 4, e n e l á r e a d e
Humanidades.
ABSTRACT
A neural net was implemented to discriminate students who integrated knew
knowledge in long term memory from those who did not by just considering
word recognition latencies to concepts schematically related by a course. This
is helpful to identify students that only retain information in short term memory
to successfully pass an exam but do not acquire long term competencies. It is
argued that by considering this learning assessment approach over formal elearning settings, significant delay to innovate learning assessment in virtual
learning platforms can be overcome since nowadays online learning assessment
is reduced to reproduce or adapt old testing methods.
KEYWORDS
Semantic nets, semantic priming, connectionism, e-learning.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
27
�Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al.
INTRODUCCIÓN
El tiempo en el que se dan los cambios de
producción de nuevo conocimiento y su difusión
en la educación sobrepasan con mucho el paso al
que las instituciones educativas pueden cambiar su
infraestructura para adaptarse a las nuevas demandas
educativas. Es aquí, en términos educativos, que
las Tecnologías de la Información y Comunicación
(TICs) han mostrado ser una excelente alternativa
cuando es necesario responder a las nuevas demandas
de cambio de difusión y enseñanza de la era digital
de información actual. En particular, desde la
introducción de los primeros sistemas de instrucción
asistida por computadora (PLATO, TICCIT,
Instrucción inteligente, aprendizaje guiado, etc.1)
hasta las nuevas plataformas de aprendizaje virtual
como Learning Space, Blackboard, Moodle, etc.
(que favorecen la conectividad, la sociabilización, el
aprendizaje colaborativo y cooperativo, etc.2-4) han
existido grandes avances en cuanto se refiere al uso
de tecnología educativa para facilitar la instrucción
y el aprendizaje. El diseño de interfaces (de alta
usabilidad) que permiten el uso de multimedia,5
acceso a bases digitales, web semántica,6 realidad
aumentada,7-8 son con mucho un buen ejemplo
de como la instrucción y el aprendizaje han sido
redefinidos en favor de un nuevo sistema educativo
más competitivo.
Sin embargo, cuando viene el caso de evaluar
el aprendizaje en línea usando esta tecnología
educativa existe un retraso sumamente notable, sobre
todo en cuanto a la innovación se refiere. Al parecer
la tecnología es usada para reproducir sistemas
de evaluación estándar como lo son exámenes,
productos o actividades de aprendizaje (algunos
casi de corte Aristotélico). La diferencia existente
entre el desarrollo de sistemas de instrucción y los
sistemas de evaluación del aprendizaje en línea es
simplemente enorme para no ser notado. Un sistema
educativo tecnológico moderno no puede estar
simplemente diseñado para reproducir, recomponer
o adaptar el pasado al contexto de aprendizaje del
aula escolar del siglo XXI de un nativo digital.
Nueva investigación y desarrollo está en
demanda para atacar este retraso espectacular. En
particular, aquí se argumenta que si bien modelos
de cognición humana han jugado un papel relevante
desde inicios de los 80s, moldeando diseños e
28
implementación de modelos de Interacción Humano
Computadora (HIC)9-11 estos lo han hecho enfocados
en fomentar el aprendizaje facilitando la instrucción
pero olvidando la innovación en la evaluación del
aprendizaje en línea12. Esto es así debido a que existe
un desconocimiento significativo del potencial de
los nuevos avances en ciencia de la computación
y del estudio de la cognición humana en cuanto a
desarrollar e innovar la evaluación del aprendizaje.
De esta forma el programa de investigación y
desarrollo que se describe a continuación pretende
señalar una nueva línea empírica a través de un
primer prototipo de evaluación de aprendizaje
en línea que conjunta áreas de ciencias de la
computación (redes neurales), medición de la
organización de información en la memoria a largo
plazo de los estudiantes (paradigmas experimentales
de facilitación semántica) y modelos actuales
de representación del conocimiento (esquemata
emergente, redes semánticas naturales). El objetivo
final es llegar a un proyecto de transferencia
tecnológica dentro del contexto de la tecnología
educativa de las universidades virtuales de nuestro
país.
VISUALIZANDO DE OTRA FORMA EL
CONOCIMIENTO EN LA MEMORIA HUMANA
Marzano y colegas,13-14 señalan que la evaluación
tradicional del desempeño académico no permite
determinar si se desarrolla una integración del
conocimiento que se adquiere a largo plazo ya
que muchos estudiantes son capaces de generar
estrategias de aprendizaje que les permiten ir
avanzando a través de los grados escolares sin que
esto implique un aprendizaje significativo a largo
plazo. Una estrategia de éxito típica es la de retener
información en la memoria de trabajo de la persona
por días e incluso semanas hasta lograr pasar un
examen o simplemente hasta que este conocimiento
ya no les sea de utilidad para su éxito escolar.15-17
En particular las evaluaciones estandarizadas
han mostrado tener valor predictivo sobre el futuro
desempeño académico de los estudiantes. Se asume
que este éxito académico se debe al conocimiento
adquirido pero en realidad puede ser debido a
que solo miden la estrategia de éxito ya que las
pruebas tradicionales solo miden que es lo que
las personas no saben pero no lo que si saben. Lo
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al.
Fig. 1. La probabilidad de co-ocurrencia entre dos conceptos a través de grupos de definición se da usando una forma
de cálculo bayesiano.
que es peor aún y cuando las personas integran de
forma significativa información a largo plazo, estas
parecen solo retener el esquema general que sustenta
dicho nuevo conocimiento y no la información
específica que empodera a dicho esquema.18-19 Es
claro que para conocer exactamente si en realidad
un nuevo esquema es integrado en MLP y cuál
es la información que perdura en el genera una
nueva demanda de nuevas formas de evaluar lo que
realmente se integra en nuestra memoria a largo
plazo cuando se integra nuevo conocimiento.
En su fase inicial la presente investigación propuso
una idea inicial para responder a esta demanda. En
particular se usó una técnica de representación
mental denominada Redes Semánticas Naturales
(RSN;20-21) para obtener definiciones conceptuales
relacionadas a un esquema de conocimientos las
cuales se usaron para implementar un modelo
conexionista (redes neurales) que era capaz de
simular el comportamiento del esquema mental
y el efecto que este tiene en la organización del
conocimiento contenido por el esquema. Esta
primera aproximación se denominó Semantic
Analyzer of Schemata Organization (SASO;22). La
figura 1 muestra como en la técnica SASO se usa
primero la técnica de RSN para obtener definiciones
conceptuales de conceptos de un esquema de
conocimiento (conceptos objetivo) usando otros
conceptos unitarios (definidores). Aquí, valores de
relevancia semántica (valor M) para cada definidor
son obtenidos de los mismos participantes. Cada
grupo SAM se constituye de los 10 definidores de
mayor peso para cada concepto objetivo.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
Fig. 2. Un análisis de escalamiento multidimensional
sobre la matriz de pesos SASO muestra una organización
conceptual sistemática del esquema de cuarto analizado
por el presente proyecto.
Pesos de conectividad semántica (Wij) entre
conceptos definidores son obtenidos calculando la
co-ocurrencia de pares de conceptos (Xi y Xj) a través
de las definiciones obtenidas de los participantes.
Cuando un análisis de escalamiento
multidimensional es aplicado a una matriz de pesos
de asociación SASO entre conceptos (usando Wij
como índice de distancia semántica) se puede
observar que los conceptos parecen mantener una
distancia semántica entre ellos dependiendo de
su relevancia al esquema. Por ejemplo, en el caso
del esquema mental de un CUARTO en donde se
obtuvieron definiciones conceptuales a instancias
29
�Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al.
Fig. 3. Resultados de 2 simulaciones computacionales conexionistas SASO. Se observa que emergen esquemas
relacionados a el cuarto de RESTAURANT y EDIFICIO cuando se activan los conceptos MESERO (**) y CUARTO (**)
respectivamente.
de este esquema como RECAMARA o COCINA,
la matriz SASO muestra una organización
conceptual como la ilustrada en la figura 2. Aquí, la
organización conceptual resultante parece reflejar
organización conceptual por semejanza o cercanía
semántica.22
Dicha matriz de valores SASO fue usada de forma
sistemática en una gran variedad de ocasiones por
una maquina conexionista (red neural) Boltzman
para emular el comportamiento esquemático que
subyace a la organización de conocimiento.23 Por
ejemplo, en el caso del esquema de CUARTO
antes mencionado, la figura 3 muestra una pantalla
de resultados de simulaciones Boltzman ilustrada
para un esquema conteniendo 141 definidores. El
valor a la izquierda de cada definidor representa
su valor de entrada (nodo neural), mientras que el
valor de la derecha representa su salida. El valor
30
de 100 para el valor de entrada se representa con
doble asterisco (**). Nótese que en la pantalla de
la derecha el concepto activado fue CUARTO.
Interesante a este respecto es que aún y cuando
CUARTO es el definidor más alto para el concepto
de EDIFICIO, el grupo de definición conceptual de
CUARTO no se activó. En vez de esto, un patrón
categórico no muy bien definido fue obtenido. Si en
vez de activar el nodo CUARTO se activa el nodo
LADRILLO entonces los grupos conceptuales de
EDIFICIO son activados (CUARTO, VENTANA,
CONSTRUCCIÓN, PUERTA, LARGO, etc.).
Dichas simulaciones permitieron escoger
pares de conceptos que estuvieran relacionados
por el esquema y no por una relación asociativa
o categórica. Estos pares como se observa a
continuación son de relevancia para determinar la
validez psicológica del esquema en cuestión.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al.
Fig. 4. Secuencia de eventos en experimentos de
reconocimiento de palabras con tareas de decisión lexical
para observar si existe facilitación semántica.
USANDO LA TÉCNICA SASO PARA EVALUAR EL
APRENDIZAJE
Parte de la investigación que sustenta el presente
documento señala que es posible demostrar
experimentalmente que el efecto que tiene el
comportamiento del esquema simulado sobre
la organización de la información tiene validez
psicológica. En particular, se ha sugerido que usando
una técnica cognitiva experimental denominada
facilitación semántica24 es posible determinar si un
esquema de conocimiento existe en un estudiante
si y solo si este ha sido integrado en su memoria a
largo plazo.
En un estudio típico de facilitación semántica
se trata de observar si la relación semántica
que un concepto (facilitador) guarda con otro
concepto (objetivo) afecta el reconocimiento de
este último. La figura 4 describe la secuencia de
un ensayo experimental en este tipo de estudios. Si
el estímulo objetivo guarda un relación semántica
con el facilitador entonces este será reconocido más
rápido (facilitación semántica) o más lentamente
(interferencia semántica).25 La tarea del participante
es decidir si la palabra objetivo está bien escrita
(por ejemplo ENFERMERA), o mal escrita
(ENHERMERA), dado lo anterior a este tipo de
tareas se les denomina de decisión lexical.
Diferentes tiempos de reconocimiento se
han atribuido a diferentes relaciones semánticas
entre conceptos en la memoria humana (relación
asociativa: MANTEQUILLA-PAN; categórica:
AVE-CANARIO; etc.;24). Una serie de estudios
realizados por casi un espacio de 20 años han
mostrado consistentemente que pares de palabras
seleccionadas por su relación de esquema en la
simulación SASO (e.j. ESCRITORIO-EDIFICIO)
tienden a tener tiempos de reconocimiento
específicos identificando al esquema en cuestión
cuando esta está organizando información en
el lexicón humano a largo plazo. Este efecto de
reconocimiento de palabras que guardan una relación
semántica de esquema fue nombrado “facilitación
esquemática” y ha sido difundido académicamente
por la presente línea de investigación en una
diversidad de ocasiones.12, 22, 26-28
En particular en una de las investigaciones
realizadas29 se encontró evidencia inicial de que al
Fig. 5. Definiciones conceptuales de 10 conceptos centrales al esquema de moral que se analiza.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
31
�Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al.
inicio de un curso cuando los estudiantes todavía
no aprenden su contenido no es posible encontrar
el efecto de facilitación esquemática entre los
conceptos centrales del curso, pero si es posible
encontrar este efecto al final del curso solo en los
estudiantes que sacaron buenas notas. Por ejemplo,
en otros estudios de la presente investigación30-31 se
llevaron a cabo estudios SASO donde inicialmente
se realizó un análisis de redes semánticas naturales
sobre 10 conceptos centrales a un curso de
desarrollo moral a un grupo de 39 estudiantes (22
hombres y 17 mujeres) de primer y segundo año
de preparatoria (entre 16 y 18 años) en un colegio
particular de clase media a alta de Monterrey. Este
análisis se realizó después del curso. El análisis de
RSN arrojó 10 grupos SAM con sus respectivos
índices de riqueza de información (J) y densidad
semántica (G). Estos son descritos en la figura 5.
La pantalla de simulación conexionista
Boltzman mostró que al activarse el concepto de
“padres” también se activa al máximo el concepto
de “policía”. Sin embargo, aún y cuando el
concepto “disciplina” está fuertemente asociado a
“policía”, este no se activó. Mostrando la existencia
de un esquema moral. En general la activación del
concepto “policía” ocurrió cada vez que se activó
un concepto relacionado a un esquema de desarrollo
moral denominado estado heterónimo de desarrollo
moral en donde un concepto de autoridad externa al
individuo rige normas de conducta moral, esto en
oposición al estado de desarrollo moral Autónomo
Fig. 6. Solamente el grupo experimental mostro efecto
de facilitación esquemática después del curso.31
32
en donde normas de desarrollo moral se rigen por
normas internas del individuo.
Ahora bien, después de varias simulaciones
se obtuvieron pares de palabras fuertemente
relacionadas por dicho esquema y se usaron para
comparar sus tiempos de reconocimiento antes
y después del curso de desarrollo moral en un
estudio de facilitación semántica en dos nuevas
muestras de estudiantes. Una muestra tomo el curso
(experimental) y otra no (control). Como se observa
en la figura 6 el efecto de facilitación esquemática es
lo suficientemente sensible para detectar el registro
que deja la adquisición de nuevo conocimiento en
la memoria a largo plazo (lexicón).
IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA
COMPUTACIONAL DETECTOR DE
FACILITACIÓN ESQUEMÁTICA
En una tercera etapa de investigación12
implementaron una red neural capaz de identificar
cuando un estudiante integra o no en su memoria
a largo plazo el nuevo conocimiento a aprender.
Dicho sistema computacional evalúa los tiempos
de reconocimiento por parte de estudiantes de
palabras centrales a un curso. Para lograr esto
primero se entrena una red neural (aprendizaje
supervisado) a discriminar cuales tiempos de
reconocimiento de palabras de un esquema
(obtenidos a través de estudios de facilitación
semántica tipo SASO) se relacionan a estudiantes
que si integran información en su memoria a
largo plazo (facilitación esquemática). La figura 7
muestra la idea general de la tarea que la red
neural considerada debe tener. En su etapa de
entrenamiento a la red neural se le presentan pares
de palabras de un estudio de facilitación semántica
con sus correspondientes tiempos de reacción
(tiempos para pares de palabras asociativas,
categóricas, esquemáticas y no relacionadas) y de
qué tipo de éxito escolar (facilitación esquemática:
Si/No) se trata la instancia. En su etapa de prueba
se le presentan solamente la información de
tiempos de reconocimiento de pares de palabras de
nuevos estudiantes. En el 99% de las 5000 pruebas
el sistema acierta en discriminar aquellos alumnos
que no integran de los que si integran información
en la memoria a largo plazo. Al parecer el efecto
de facilitación esquemática es lo suficientemente
útil para esta tarea de clasificación. Por otra parte,
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al.
Fig. 7. Se ilustra el concepto de una red neural que tiene como propósito clasificar si se adquiere un esquema basado
en la presentación de pares de conceptos y un tiempo de reacción relacionado a dichos pares.
lo que más distingue al comportamiento de una
red neural de entre varias cosas es su capacidad de
identificar y clasificar patrones de comportamiento
dentro de la presentación masiva de estímulos.
La aproximación SASO hasta aquí señalada
pretende introducir una adición innovadora a las
plataformas de aprendizaje virtual y presencial para
evaluación del aprendizaje de cursos. En particular,
esta intención se traduce en el diseño y usabilidad
de una interface computacional innovadora de
evaluación de aprendizaje en el área de la tecnología
Fig. 8. Pantalla principal del sistema evaluador SASO
(versión 3).
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
educativa. La figura 8 muestra la pantalla inicial
que se presenta al activar el sistema.
El sistema que se propone está ya en su tercera
versión y los prototipos hasta ahora desarrollados
han dependido de etapas experimentales del presente
estudio. La primera versión pública (libre de costo)
se presentara en Agosto del año que viene.
Nótese de la pantalla de la interface que el
sistema está dividido en dos grandes secciones. Por
una parte el menú señala la posibilidad de recibir
instrucción sobre un tema específico. También, en
el menú se señalan dos opciones para la evaluación
de aprendizaje. La figura 9 muestra la idea de
uso por parte de un estudiante de la interface en
cuestión. La intención del presente proyecto no es
la de definir un sistema instruccional en particular.
Avances remarcables se han llevado a cabo en este
sentido 2, 5, 10 dado el uso de medios de multimedia
que facilitan, inducen y favorecen la organización
del conocimiento por adquirir. Más bien la
contribución del presente proyecto se centra en el
problema de la evaluación en línea que este a la par
de estos avances.
Los menús de la interface mostrados en la
figura 9 son capturas reales de la pantalla y estos
33
�Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al.
Fig. 9. Se ilustra la tarea que un estudiante tiene que
realizar al aprender un tema determinado (a). El sistema
detecta el tema seleccionado y no permite la presentación
de contenidos hasta que no se tome el estudio de
facilitación semántica que contiene el esquema del tema
seleccionado. Al terminar, el usuario debe tomar otra vez
el estudio de facilitación semántica.
muestran en la figura 9b las opciones de evaluación
que la aproximación SASO ofrece a un usuario.
En particular la figura 10 muestra la pantalla de la
interface cuando se necesita un reporte completo
sobre los índices de organización conceptual del
estudiante que ha intentado aprender un tema. El
panel superior derecho de la figura 10b muestra los
Fig. 10. Reporte SASO de la organización conceptual que
se adquiere durante una sesión de aprendizaje sobre el
tema de Piaget.
34
conceptos de relevancia con los que el estudiante
después de su aprendizaje empata con los conceptos
semánticamente relevantes de un grupo de expertos
(maestro). Nótese que el menú también señala la
opción “clasificación RSN”. Esta opción solo
reporta si la red neural experta detecta si existió en
el estudiante un efecto de facilitación esquemática.
En dado caso que el estudiante ya presentara dicho
efecto antes del estudio, entonces la red neural
reporta si ambos efectos son diferentes. En aras de
evitar redundancia no se desglosan dichas opciones.
Cuando se selecciona la opción de visualización se
obtiene una pantalla como la ilustrada en la figura 11.
Como ya se ha descrito anteriormente la matriz
SASO contiene pesos de asociación entre conceptos
calculados por la co-ocurrencia conceptual a
través de grupos de definidores SAM en la técnica
de redes semánticas naturales. Dichas matrices
muestran diferencias de conectividad después de un
aprendizaje determinado y la selección de la opción
“Graficar Superficie” permite una inspección visual
de la distribución de conectividad tal y como se
ilustra en la figura 12.
La matriz puede ser rotada en 3D por un sistema
automático o manualmente con el cursor. Los rangos
de valor de asociación entre conceptos pueden ser
vistos en 2 o 3 colores. En la figura 12 los valores
de la diagonal representan fuerte conectividad entre
los conceptos dentro de un grupo SAM mientras que
los demás picos de valor señalan comunalidad, esto
es, co-ocurrencia conceptual entre grupos SAM.
Por su parte, la figura 13 muestra la posibilidad
de usar 6 métodos Cluster diferentes así como la
consideración de 5 diferentes unidades de distancia
Fig. 11. Al activar la opción de visualización es posible
trabajar con una matriz SASO que se accede a través de
la opción “obtener datos”.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al.
el sistema que se presenta provee información
fuera del alcance de los métodos tradicionales
de evaluación. Le permite ahondar en la misma
memoria del estudiante.
Fig. 12. Visualización de la distribución de pesos de
conectividad conceptual en una matriz SASO.
conceptual para dar así al menos 25 diferentes
formas de visualizar la organización conceptual
resultante de un aprendizaje.
Ahora bien, dicha flexibilidad de análisis
es significativa si y solo si el usuario tiene la
capacidad de entender que es lo que dichos
métodos de visualización significan en el dominio
de la representación mental. Esto demanda en
si un nuevo tipo de profesor en el aula escolar.
Uno con competencia de la teoría cognitiva de
la representación mental. Para dicho profesor,
CONCLUSIÓN
Los estudios de ciencia cognitiva del aprendizaje
conducidos por la presente investigación sugieren
que es posible identificar cambios de organización
conceptual dado un aprendizaje tal y como se
sugiere en la literatura a través de técnicas de
redes semánticas. Dichos cambios de organización
se deben a una forma diferente de significar un
evento que se implícita en el nuevo esquema que
se adquiere. Por ejemplo, nuevos patrones de
asociación conceptual (comunalidad) emergen
para dejar huellas mnemónicas a largo plazo en
el lexicón humano. Estos nuevos patrones de
organización impactan en una dimensión de tiempo
de forma estocástica en la vida cognitiva conceptual
de una persona cuando aprende un tema nuevo.
Una vez activado un esquema en nuestra memoria,
una red neural simulada es capaz de hacer uso de
dicho comportamiento para obtener información
que permite distinguir a alguien que ha integrado
nuevo conocimiento de quien no lo ha hecho. En el
Fig. 13. Dendograma de posibles métodos Cluster mostrando distancia conceptual en el esquema de la teoría de
Piaget.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
35
�Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al.
momento, todavía no se considera que dicho sistema
computacional como una herramienta que pueda
sustituir otras formas estándares de evaluación del
aprendizaje en línea. Sin embargo, conforme la
investigación científica empodere los resultados
observados, lo más viable en un futuro es actualizar
o sustituir dichas formas estándar de evaluación
por sistemas que realmente hagan uso de la ciencia
computacional vigente y de avances de la ciencia
cognitiva del aprendizaje modernos tal y como se
mostró en la presente línea de investigación.
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37
�Nuevos materiales anódicos
para la generación de
bioelectricidad en celdas de
combustible microbianas
Nora Aleyda García-GómezA, Domingo Ixcóatl García-GutiérrezB,
Salomé M. de la Parra-ArciniegaA, Eduardo M. SánchezA*
A
B
Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ciencias Químicas
Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería
Mecánica y Eléctrica
eduardo.sanchezcv@uanl.edu.mx
RESUMEN
Con la intención de contribuir al desarrollo de nuevas tecnologías para la
energía alternativa, en este trabajo se expone un estudio sobre el desarrollo de
redes de nanofibras duales, cuya composición y metodología de formación son
estrategias fundamentales para el desarrollo de biopelículas exoelectrogénicas
sobre su superficie, lo que favorece el proceso de bioconversión de un sustrato
químico a electricidad. Las nanofibras duales favorecen los procesos de
transferencia de carga, siendo la nanofibra de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/
C(semi-grafito) la más efectiva. Debido a esto, este tipo de materiales son
prometedores para su aplicación como electrodos en dispositivos para el
almacenamiento y conversión de energía, de manera particular en celdas de
combustible microbianas.
PALABRAS CLAVE
Nanofibras duales, ánodos, bioelectricidad, celdas de combustible
microbianas.
ABSTRACT
In an effort to contribute to the development and advancement of new
technologies in the area of alternative sources of energy, in the present
contribution a study on the development of dual nanofibres networks, whose
composition and synthesis methodology is fundamental in the growth of
exoelectrogenic biofilms on their surface, which favors the bioconversion of a
chemical substrate into electricity, is presented. The dual nanofibres promote the
electrical charge transfer processes, being the TiO2(ruthile)-C(semi-graphite)/
C(semi-graphite) nanofibres the most effective in this regard. Thus, this type
of materials are promising for their application as electrodes in devices for
charge storage or energy conversion, particularly in microbian fuel cells.
KEYWORDS
Dual nanofibres, amode, bioelectricity, microbian fuel cells.
38
Artículo basado el
trabajo “Producción
de bioelectricidad
utilizando fibras duales
de TiO2/carbón como
electrodo en la celda de
combustible microbiana”
Premio de Investigación
UANL 2014 en el área de
Ingeniería y Tecnología.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al.
INTRODUCCIÓN
Problema Energético mundial
En la actualidad más de 7 mil millones de personas
habitamos nuestro planeta, y para el 2050 se estima
que habrá 9.4 mil millones de personas.1 Lo que
implica que este consumo energético se incrementara
de 524 cuatrillones de BTUs (unidades térmicas)
en el 2010 a 630 cuatrillones de BTUs en el 2020,
hasta llegar a casi 820 cuatrillones de BTUs en el
2040. El acelerado desarrollo industrial y económico
mundial se ha sostenido gracias a los combustibles
fósiles, sin embargo en un futuro muy cercano
estaremos sufriendo las graves consecuencias de la
sobreexplotación de fuentes de energía no renovables
y los problemas de contaminación que derivan de su
uso, resultando insostenible nuestro desarrollo de
esta manera por tiempo indefinido. Para cubrir las
demandas en materia de energía de nuestra sociedad,
será necesario desarrollar tecnologías alternas que
nos permitan obtener beneficios energéticos sin
comprometer la calidad de nuestro futuro.
México y el desarrollo de energía
sustentable
Las energías renovables son indispensables para
asegurar la sustentabilidad y el cuidado del medio
ambiente, así como una mayor independencia
energética del país. Es por esto que los temas de
investigación y desarrollo en el área de fuentes
alternas de energía son de vital importancia para el
desarrollo del país, ya que nos permitirán ir mitigando
esa falta de capacidad técnica que actualmente se
tiene, para poder lograr un mayor aprovechamiento
de las fuentes alternas en la generación de energía.
Interesados en participar en el desarrollo energético
nuestro grupo de investigación pretende impulsar
la obtención de energía sustentable a través de la
del desarrollo de materiales novedosos que nos
permitan obtener energía a través del uso de celdas
de combustible microbianas.
¿Qué son las cel das de combusti ble
microbianas (MFC´s)?
Las celdas de combustible microbianas (MFC, por
sus siglas en inglés) son dispositivos electroquímicos,
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
los cuales convierten la materia orgánica en
energía, en forma de electricidad o hidrógeno
y para este propósito utilizan microorganismos
como catalizadores.2 Generalmente el proceso de
generación de electricidad está acompañado de la
biodegradación de un compuesto orgánico o de
aguas de desecho,3 por lo que de esta manera el uso
de estos dispositivos pueden resolver dos problemas,
el relacionado con la obtención de energía limpia y
el del manejo sustentable de residuos.
¿Cómo funciona una MFC?
Una celda de combustible microbiana está
compuesta por dos cámaras, una anódica y otra
catódica, divididas entre sí, por una membrana de
intercambio protónico. En la figura 1 se presenta un
diagrama de una MFC común. Típicamente la cámara
anódica es mantenida en condiciones anaerobias,
mientras que la cámara catódica debe estar expuesta
al aire. Los microorganismos exoelectrógenos oxidan
la materia orgánica produciendo energía celular
mediante moléculas de adenosín trifosfato (ATP) y
electrones que viajan a través de una serie de enzimas
respiratorias y logran salir de la célula. Enseguida
estos electrones son transferidos hacia el ánodo y
posteriormente fluyen hacia el cátodo como resultado
del potencial electroquímico que se genera entre
el proceso de respiración enzimático y el aceptor
de electrones. El flujo de electrones de la cámara
anódica a la cámara catódica se lleva a cabo a través
de una conexión eléctrica externa. Para conservar la
electroneutralidad del sistema, la transferencia de
electrones del ánodo al cátodo debe ir acompañada
Fig. 1. Celda de combustible microbiana.5
39
�Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al.
de un número igual de protones entre estos dos
electrodos a través de la membrana de intercambio
protónico. Por último la combinación de protones
con oxígeno en la cámara catódica produce agua.4
Los electrones y los protones son excretados
por los microorganismos gracias a un proceso
metabólico desasimilativo de la oxidación de los
sustratos orgánicos.6 Una vez que se han liberado
los electrones en la cámara anódica estos deben ser
transferidos hacia el electrodo anódico, por lo que
en este caso el electrodo juega el papel de un aceptor
de electrones extracelular.
¿Por qué utilizar una MFC?
Las MFC´s ofrecen la posibilidad de extraer
alrededor del 90% de los electrones de los compuestos
orgánicos y pueden ser auto-sostenibles y autoregenerables. Posteriormente, los microorganismos
liberan los electrones de sus células y los transfieren
a los electrodos (ánodo) de la celda. El desarrollo
de sistemas que involucran bacterias para producir
electricidad representan métodos innovadores
para la producción de bioenergía. Son tecnologías
económicas y sencillas, debido a que cualquier
materia orgánica biodegradable se puede utilizar en
una MFC. Si la materia orgánica representa un riesgo
ambiental, con esta novedosa tecnología es posible
oxidarla a una especie inocua; de esta forma no solo
resolvemos el problema energético, sino también el
del manejo sustentable de residuos.7
Los retos de las MFC´s
Como se ha mencionado, la tecnología de las MFC
es aún muy reciente, incluso la ciencia del mecanismo
de transferencia electrónica del microorganismo al
electrodo está en etapa de investigación.8 El motivo
principal por el cual estos dispositivos no son
una realidad comercial en la actualidad, se debe a
sus bajos rendimientos de potencia y esto está en
función de la tasa de transferencia de electrones
de los microorganismos al ánodo, la resistencia del
circuito y la transferencia de masa de protones en el
líquido, entre otros factores.9 Uno de los mayores
retos a superar para mejorar el rendimiento de estos
dispositivos electroquímicos radica en la naturaleza
del electrodo anódico, debido a que tiene un rol
fundamental en la transferencia electrónica dentro
40
de la MFC. Las características del electrodo como su
composición y morfología impactan en la formación
de la biopelícula, la transferencia electrónica, la
resistencia del sistema y la velocidad de reacción en
la superficie del electrodo.
La importancia del ánodo en el desempeño
de las MFC´s
Como se ha discutido con anterioridad, de manera
particular el ánodo se relaciona con el crecimiento
de las biopelículas sobre su superficie y determina el
potencial redox final de los microorganismos debido
al flujo de electrones, por lo que es un elemento muy
importante en las MFC, debido a su participación
directa en el proceso de conversión biocatalítica
de un sustrato en electricidad. El electrodo anódico
participa particularmente en el metabolismo de los
microorganismos debido a que al incrementar la
corriente de la MFC, se produce un decremento
en el potencial del ánodo y de esta manera los
microorganismos se ven forzados a entregar los
electrones provenientes de la oxidación de sustratos
reducidos.10 Por lo tanto se sabe que el ánodo
influye en el metabolismo oxidativo del sustrato.
El material del cual está constituido el ánodo y su
estructura puede afectar directamente el desarrollo
de los microorganismos, la oxidación del sustrato
y la transferencia de electrones, por la resistencia
interna que limita el desempeño de una MFC.11 Se
ha reportado que el material anódico debe presentar
una alta conductividad eléctrica, debe contar con
una gran área superficial, una buena compatibilidad
biológica y debe ser estable químicamente frente a
la solución de la cámara anódica.12 Por lo que es
muy importante la selección y el desarrollo de los
materiales y su morfología.
Composición química de los ánodos en MFC
El desempeño del ánodo está íntimamente
ligado con su composición química, por lo que
es un aspecto importante a considerar. Algunos
materiales como el TiO2 cuentan con propiedades
eléctricas interesantes, debido a que los sitios
vacantes de oxígeno que se encuentran en su
estructura cristalina, le permiten actuar como un
semiconductor eléctrico; además es químicamente
estable y biocompatible, lo que permite su aplicación
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al.
en distintos dispositivos electroquímicos como
celdas solares y baterías de ion litio. Por otra parte,
se ha empleado la combinación de TiO2/PANI como
ánodo en MFC, y se encontró que este material tiene
la capacidad de albergar una célualas de E. coli.
Con este último acontecimiento queda demostrado
que la combinación de TiO2 con PANI resulta un
excelente anfitrión para el desarrollo de biopelículas
exoelectrogénicas; se conoce que la superficie rugosa
del material anódico favorece el desarrollo de pilis
y estos contribuyen a la transferencia electrónica
extracelular hacia la superficie del ánodo durante
la reacción electroquímica, produciendo 1495
mW/m2.13
Por otra parte, el carbón en algunas de sus
diferentes formas ha sido ampliamente utilizado
como electrodo,14 debido a su alta versatilidad,
precio económico y fácil manejo, además de sus
interesantes características eléctricas y morfológicas.
Se han desarrollado nanofibras carbonáceas a partir
de poliacrilonitrilo (PAN) electrohilado, obteniendo
materiales con una conductividad eléctrica de 840
Scm-1; se ha reportado que las altas temperaturas de
carbonización mejoran el contacto entre las fibras de
la red y favorecen la grafitización.15 En los últimos
años, el sistema de TiO2-Carbón ha sido el centro
de atención de muchas investigaciones, debido a su
potencial aplicación como sensor de gas, electrodo
en baterías de ion litio, en celdas de combustible,
entre otros. La combinación de titanio con carbón,
también mejora la conductividad eléctrica del
material anódico en una MFC, esto se probó con
Li4Ti5O12 con grafeno en una batería de ion litio
debido a que el carbón provee al TiO2 un camino
para la transferencia de electrones.16 En dispositivos
fotocatalíticos también se ha demostrado que los
materiales carbonáceos aumentan la eficiencia
del TiO2 debido a que actúa como una trampa de
electrones y promueve la separación electrónhueco, minimizando la recombinación de cargas
y mejorando la conductividad del TiO2. 17 Otro
tipo de materiales que han llamado la atención
recientemente son los polímeros conductores;
la polianilina (PANI) es uno de ellos y tiene
potenciales aplicaciones, por ser altamente estable,
de fácil preparación, y con propiedades redox
comparadas con otros polímeros conductores.18 Las
sorprendentes propiedades electrónicas de PANI,
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
como la conductividad eléctrica, el bajo potencial
de ionización y la alta afinidad electrónica están
asociadas con los electrones que se conjugan en
el sistema alternándose entre los enlaces dobles y
triples de la cadena polimérica principal.19 Se ha
demostrado que PANI tiene la capacidad de aumenta
la porosidad de los materiales carbonáceos, debido a
que la anilina reacciona con los grupos oxígeno de
la superficie del carbono, produciendo importantes
cambios en la porosidad del material, de tal manera
que adiciones de 6% de PANI pueden producir un
aumento en la capacitancia de alrededor de 20%
del carbón activado (125 a 148 F/g).20 La presencia
de nanotubos de carbón a las películas de PANI
obtenidas por oxidación química, produce un
incremento en el área superficial del electrodo (50.2
m2g-1); así mismo, esta combinación de materiales
mejora la capacidad para la transferencia de carga,
lo cual conlleva a un incremento considerable en la
actividad electroquímica en la reacción anódica en
una MFC.21
Morfología de los ánodos en MFC
La morfología del ánodo es otro factor clave
a considerar, pues ésta es capaz de eficientizar el
flujo de electrones en una MFC. Se ha encontrado
que la optimización de estructuras porosas en el
electrodo con altas áreas superficiales específicas
incrementa la densidad de potencia en las celdas,
puesto que soportará una mayor cantidad de
microorganismos exoelectrogénicos. 22 En los
últimos años los materiales nanoestructurados
unidimensionales como las nanofibras, han atraído
una gran atención por las geometrías que los
distinguen, especialmente su alta relación longitud/
diámetro o área superficial/volumen y sus novedosas
propiedades físicas y químicas responsables de sus
potenciales aplicaciones como electrodos en una
amplia variedad de dispositivos diseñados para la
conversión y almacenamiento de energía.23,24
Arquitectura & propiedades funcionales de
las nanofibras
Cuando las fibras electrohiladas se disponen
de manera aleatoria sobre el sustrato colector
metálico forman redes tridimensionales con efecto
coalescente, y estos puntos de contacto entre
41
�Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al.
ellas proveen un camino para la transferencia
electrónica en nanofibras de carbono; por lo tanto
están directamente relacionados con el aumento
o disminución de la conductividad. 25 Además,
nuestro grupo de investigación considera que los
diseños específicos de nanofibras duales podrían
contribuir a mejorar estos puntos de interconexión
coalescentes que acabamos de mencionar y esto
cobraría aún mayor importancia si las nanofibras
individuales que conforman las nanofibras duales
tuvieran diferente composición química y distintas
propiedades eléctricas, entonces se aumentaría
el contacto entre ambas. Se ha demostrado que
se pueden obtener nanofibras duales al hacer una
modificación a la técnica de electrospinning.26
Las nanofibras duales obtenidas se distinguen por
presentar algunas ventajas que han sido probadas
en fotocatálisis como: Una máxima exposición
de ambas nanofibras en la superficie reduciendo
la recombinación de pares electrón-hueco e
incrementando la eficiencia cuántica del sistema;
altas áreas superficiales; y presentan una morfología
que favorece la recuperación del material.27 Estas
características también podrían favorecer en gran
medida las aplicaciones como ánódo, en MFC´s, al
aumentar los puntos de contacto entre ellas, y por lo
tanto la conductividad.28
Por lo expuesto anteriormente, nuestro grupo de
investigación se interesó en desarrollar materiales
anódicos que optimicen el desarrollo de biopelículas
exoelectrogénicas sobre su superficie, para
eficientizar la conversión de energía de un sustrato
bioconvertible en electricidad, al favorecer el
flujo electrónico en una MFC, y entonces obtener
resultados que reditúen en conocimiento científico
de interés para el desarrollo de nuestra sociedad.
METODOLOGÍA
Síntesis de nanofibras duales electrohiladas
de TiO2/C
Las nanofibras duales (d-NF) se obtuvieron por
la técnica de electrospinning de bicomponente,
cuyas condiciones se han reportado en trabajos
previos.25 Dos soluciones precursoras distintas (A
y B) se expulsaron simultáneamente a través de
un spinneret integrado por dos agujas confinadas
en una geometría “side-by-side” (figura 2).
42
La solución precursora (A) para las fibras de TiO2PVP-PANI se preparó mezclando una solución
polimérica compuesta por PVP:PANI (1:4 molar),
disuelta en DMF, y Ti(OiPr)4 disuelta en ácido
acético y etanol. Por último, la solución resultante
se agitó antes ser electrohilada. La solución
precursora (B), para fibras de PAN, se disolvió
PAN en DMF a 8 % w/w.26 la caída doble de las
soluciones A y B, se expulsaron directamente hacia
la placa colectora de aluminio, posteriormente las
nanofibras electrohiladas se expusieron al aire a
temperatura ambiente y una humedad relativa de
40-60 % para promover la hidrólisis del Ti(OiPr)4. El
proceso térmico se llevó a cabo en un horno tubular
(Mini -Mite ™). Las nanofibras se calentaron
(3°C/min ) desde 20°C a 280°C en aire durante 1
h, posteriormente se calcinaron (5ºC/min) a 425oC
durante 1 h con el fin de obtener la fase cristalina
de TiO2. Por último, las nanofibras se carbonizaron
a 1000ºC durante 1 h, en N2.
Caracterización de los materiales
La estabilidad térmica de las nanofibras
electrohiladas, se determinó con un analizador
térmico simultáneo de TGA y DTA (STA6000
PerkinElmer, Inc.) hasta 980°C (15°C/min), en
N2. También se utilizó un calorímetro de barrido
diferencial (Diamond DSC PerkinElmer, Inc.) con
-Al2O3 como referencia, se calentó de temperatura
ambiente hasta 500oC (15°C/min), en N 2. La
identificación de fases y la determinación de la
estructura cristalina se llevó a cabo utilizando un
difractómetro de rayos X en polvo (D5000 Siemens)
a temperatura ambiente, CuK (=1.5418Å), a 35
kV y 25 A. La intensidad se midió entre 20º y 80º
por 1 h. Un primer análisis morfológico y elemental
de las nanofibras electrohiladas se realizó con un
microscopio electrónico de barrido con emisión
de campo, FESEM (FEI NovaNanoSEM200, FEI
Company) equipado con un detector EDXS (EDAX).
Un estudio detallado sobre la morfología, así como
la composición de las nanofibras y sus características
estructurales se llevaron a cabo en un microscopio
electrónico de transmisión (FEI TEM Titan G2 80300, FEI Company) y un detector EDXS (EDAX).
La estabilidad electroquímica de las nanofibras
se evaluó mediante voltametría cíclica en un
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al.
potenciostato/galvanostato (VMP3, Biologic Science
Instrument) y un electrodo de referencia de Ag/AgCl
en KCl 3 M. El comportamiento electroquímico de
las nanofibras se obtuvo mediante espectroscopia
de impedancia, en un potenciostato/galvanostato
(VMP3, Biologic Science Instrument) con software
EC-Lab 10.18 y ZSimWin 3.21. Electrodo de trabajo
(EW), Electrodo Auxiliar (EA) de platino y Electrodo
de Referencia (ER) de Ag/AgCl en KCl 3 M y K2SO4
0.5 M como electrolito soporte. Las mediciones
de corriente se llevaron a cabo en una fuente de
voltaje picoamperimetrica (Modelo 6487, Keithley
Instruments); aplicando un voltaje desde 0 a 200 V,
a temperatura ambiente.
Diseño y ensamble de una media celda de
combustible microbiana
Cultivo y electroactivación de las células
de Eschericha coli K-12: Las células de E. coli
K-12 (Bio-Rad, S.A.) liofilizadas se activaron
anaeróbicamente en una incubadora (1575 ShelLab ®) a 37°C y 200 rpm por 24 h en un medio de
cultivo Luria Beltrani, LB a pH 7. Posteriormente
las células se inocularon al 20% en un medio de
cultivo fresco “Medio Estándar” (MS) compuesto
por 10 g/L de glucosa anhidra, 5 g/L de extracto de
levadura,10 g/L de NaHCO3, 5 g/L de NaH2PO4, y
pH de 7. El cultivo obtenido hasta esta etapa será “E.
coli K-12 cultivo original”, este cultivo fue sometido
a un proceso de tres electroactivaciones aplicando
0.035 V, 0.045 V y 0.05 V por 15 segundos con
un potenciostato/galvanostato (VMP3, Biologic
Science Instrument). Para cada electroactivación
se montó una celda de doble cámara, separada
por un puente salino de KI saturado en medio
sólido. En la cámara anódica se colocó el cultivo
original suspendido en MS y se utilizó una malla
de platino (BAS Bioanalytical Systems Inc.) como
electrodo de trabajo (EW); esta cámara se mantuvo
en anaerobiosis con N2 cromatográfico estéril. En
la cámara catódica se utilizó un electrodo de Cu
en espiral de referencia y electrodo auxiliar; el
electrolito utilizado fue KCl 0.1 M. Todo se esterilizó
previamente y se trabajó bajo condiciones de asepsia.
Entre cada electroactivación se inocularon las células
electroactivadas al 10 % en un medio fresco MS y
el cultivo resultante se mantuvo anaeróbicamente
en incubación (311DS, Labnet International Inc.) a
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
33°C por 24 h; posteriormente se centrifugó a una
velocidad de 2000 rpm, y una temperatura de 4°C
por 15 min, para formar un pellet de inóculo para
la posterior electroactivación. Este procedimiento
se reprodujo hasta la tercera electroactivación, en
donde se obtuvieron las células electroactivadas
con 0.05 V a la que llamaremos “E. coli K-12
electroactivada”.
Desarrollo de la biopelícula sobre las nanofibras
duales: Las nanofibras duales se sumergieron en una
suspensión celular de E. coli K-12 electroactivada en
un medio estándar. Se mantuvo el sistema anaerobio
y en incubación estática a 37°C por 15 días, el
medio se remplazó cada 24 h por un medio estándar
fresco, para asegurar la viabilidad de las células y el
desarrollo de la biopelícula sobre el sustrato.
Desempeño de las nanofibras como ánodo
en una MFC
Para evaluar el desempeño las nanofibras duales
de TiO2-Carbón/Carbón como ánodo en una celda
de combustible microbiana, se utilizó un sistema
de media celda de combustible con tres electrodos.
El electrodo de trabajo (EW) se compuso de las
nanofibras duales de TiO2-Carbón/Carbón soportando
una biopelícula de la bacteria Escherichia coli K12
(Biorad) electroactivada, tercera generación; se utilizó
también un electrodo de Ag/AgCl en una solución
de KCl 3 M como electrodo de referencia (ER) y un
alambre de Pt en forma de espiral como electrodo
auxiliar (EA). La solución anódica consistió de una
solución de glucosa 11 mM como fuente de carbono
en un buffer de fosfatos 50 mM. Además, se añadió
azul de metileno en una concentración de 23.7 mM,
como intermediario electrónico. Los experimentos
se llevaron a cabo con un potenciostato/galvanostato
(VMP3, Biologic Science Instrument) y se realizaron
mediciones cronoamperométricas aplicando un
potencial de 0.2V (vs Ag/AgCl) sobre el electrodo
de trabajo, y se midió la señal de corriente generada.
Todas las operaciones experimentales se llevaron
anaeróbicamente, a una temperatura de 25°C.
RESULTADOS
En esta sección de resultados se analiza
rigurosamente la obtención y el comportamiento
de las nanofibras duales de Ti(OiPr)4-PANI-PVP/
43
�Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al.
Fig. 2. Spinnerets diseñados para la obtención de
nanofibras sencillas, duales y coaxiales. a) spinneret
sencillo; b) spinneret dual.
PAN, la información de los otros materiales es
complementaria y contribuye con el sustento de los
resultados del material principal. Las nanofibras
duales de Ti(OiPr)4-PANI-PVP/PAN se representan
de esta manera para indicar que es el material tal
como fue electrohilado, una vez sometido a un
proceso térmico particular nos referiremos a este de
manera general como TiO2-Carbón/Carbón.
Al hacer modificaciones en los spinnerets
utilizados en el equipo de electrospinning, se
electrohilaron redes de nanofibras con diferentes
arquitecturas. Como se muestra en la figura 2 con
los dos spinnerets utilizados se lograron obtener
redes compuestas por nanofibras sencillas y duales
al aplicar una diferencia de potencial entre los
electrodos del equipo de electrospinning de 20 y 25 kV
respectivamente.
En la figura 3 se muestran los resultados del
análisis morfológico obtenido por SEM de las redes
Fig. 3. Micrografías obtenidas por FESEM de las nanofibras tal y como fueron electrohiladas. a) nanofibras sencillas de
Ti(OiPr)4-PVP; b) nanofibras sencillas de Ti(OiPr)4-PANI-PVP; c) y d) nanofibras duales de Ti(OiPr)4-PANI-PVP/PAN.
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Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al.
de nanofibras electrohiladas (as-electrospun), estas
imágenes confirman la presencia de nanoestructuras
tipo fibras que se interconectaron y producto de estas
interconexiones formaron una red no tejida “mat
non-woven”. Las figuras 2c y 2d corresponden a
la nanofibra dual, en la cual una de las nanofibras
individuales se electrohiló a partir de la solución
precursora A, mientras que la otra nanofibra
individual se electrohiló de manera simultánea a
partir de la solución precursora B. Lo anterior indica
que los chorros paralelos de las dos soluciones
viajaron juntos hacia la placa colectora para formar la
red no tejida de nanofibras duales durante el proceso
de electrospinning. Las fibras individuales que
conforman la nanofibra dual presentan diferencias
morfológicas, debido a que una de ellas presenta
rugosidad.
En la figura 4, se presentan las micrografías para las
nanofibras carbonizadas, en ellas podemos observar
que se conservó la uniformidad en las fibras y no
se apreciaron inestabilidades axisimétricas29 en sus
morfologías. Después del proceso de carbonización
los diámetros disminuyeron notablemente; las
nanofibras sencillas TiO2-C(PVP) cambiaron de
210 nm a 90 nm, las nanofibras sencillas TiO2C(PANI+PVP) cambiaron de 200 nm a 110 nm y
las nanofibras duales TiO2-C(PANI+PVP)/C(PAN)
cambiaron de 500 nm a 120 nm.
A partir de ahora todos los resultados expuestos
para las nanofibras sencillas serán referidos
únicamente a las nanofibras sencillas que contienen
PANI, por lo que las nanofibras serán solamente
representadas como TiO2-C, mientras las duales
como TiO2-C/C.
Se realizó un análisis morfológico y cristalográfico
a las nanofibras duales de TiO2-C/C calcinadas
hasta 1000°C durante 3 h en atmósfera inerte por
TEM en bright field. Al incrementar la temperatura
Fig. 4. Micrografías de las nanofibras carbonizadas obtenidas por FESEM. a) nanofibras sencillas de TiO 2-C(PVP); b)
nanofibras sencillas de TiO2-C(PANI)-C(PVP); c) nanofibras duales de TiO 2-C(PANI+PVP)/C(PAN).
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
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�Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al.
Fig. 5.Imágenes de fragmentos de las fibras individuales que conforman las nanofibras duales de TiO 2(rutilo)-C(semi-grafito)/
C(semi-grafito) calcinadas a 1000°C por 3h en atmósfera inerte. a) y b) nanofibra individual de TiO 2 embebida en una matriz
de carbón. c) nanofibra individual de carbón; d) patrón de SAED de la nanofibra individual de TiO2.
pudimos observar mediante HRTEM que las
estructuras carbonáceas de las nanofibras individuales
provenientes de PAN incrementaron el ordenamiento
de sus átomos, tal y como se muestra en la figura 5b.
Por otra parte la nanofibra individual policristalina
también sufrió cambios; al realizar estudios de
SAED pudimos corroborar en el patrón de difracción
que se muestra en la figura 5d la presencia puntos
correspondientes a TiO2 en su fase rutilo puro con
estructura tetragonal, mediante la identificación de
las distancias interplanares relacionadas con las
familias de planos {110}, {200}, {111}, {211} y
{220} (JCPDS # 21-1276). Al observar la imagen
de la figura 5a pudimos constatar la presencia de
cristales embebidos en una matriz de carbón, en estas
nuevas estructuras la matriz de carbón proveniente
de PANI y PVP presenta cierto ordenamiento
atómico, y esta evidencia se presenta en la imagen
de la figura 5b. De manera general podemos afirmar
que el ordenamiento de las estructuras carbonáceas
se ve favorecido al incrementar la temperatura de
calcinado. Sin embargo, el ordenamiento atómico no
fue lo suficientemente alto como el de las estructuras
grafíticas, debido a que no aparecieron puntos de
difracción en el patrón de SAED. Para la obtención
de nanoestructuras de carbón con ordenamiento
grafítico es necesario calentar la muestra hasta
alrededor de 3000 oC en vacío; sin embargo, bajo
estas condiciones el resto de los componentes de las
nanofibras duales puede presentar inestabilidades.
Los cambios en la composición del material se
analizaron por EDXS y los resultados se muestran
en la figura 6 en donde es posible apreciar la
micrografía adquirida mediante HAADF-STEM de
las nanofibras duales, la línea roja indica la región
de la muestra que se estudió durante el análisis de
46
Fig. 6. Micrografía HAADF-STEM de nanofibras dual de
TiO2(anatasa&rutilo)-C/C calcinada hasta 550°C; Incerto: Perfil
de escaneo lineal de EDXS mostrando la variación en
composición a través de la línea roja sobre la muestra
de la imagen HAADF-STEM.
escaneo lineal; mientras tanto, el espectro obtenido se
muestra en en el incerto. El espectro resultante señala
que una de las nanofibras, específicamente aquella
cuya morfología es policristalina, presenta señales
claras de la presencia de Ti y O, sugiriendo así un
alto contenido de TiO2, mientras la otra nanofibra
muestra solamente una clara señal de carbón, lo que
a su vez sugiere un alto contenido de carbón en su
composición.
Los detalles cristalográficos fueron corroborados
por DRX. Los patrones obtenidos se muestran en la
figura 7 y los resultados presentados desatacan la
importancia del proceso de hidrólisis de Ti(OiPr)4
antes del procesamiento térmico, para promover la
cristalización posterior del TiO2. En la figura 6 es
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�Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al.
Fig. 7. Patrones de difracción de rayos X de nanofibras
duales obtenidas por un proceso de electrospinning y
calentadas a diferentes temperaturas. a) a 425°C sin
tratamiento previo de hidrólisis; b) a 425°C; c) a 550°C;
d) a 700°C y e) a 1000°C con tratamiento de hidrólisis.
posible apreciar los patrones de difracción de Rayos
X tanto para las nanofibras duales no hidrolizadas
e hidrolizadas; estas últimas al ser calentadas
hasta 425°C en atmósfera de aire presentaron las
reflexiones características del TiO2 en su fase anatasa
((JCPDS # 21-1272). Posterior al desarrollo de los
cristales de anatasa, las nanofibras duales se trataron
térmicamente hasta tres diferentes temperaturas en
atmósfera de nitrógeno. Al calentar hasta 550 oC
se pudieron observar reflexiones que corresponden
a la fase rutilo de TiO2 (JCPDS # 21-1276), así
mismo se presentaron reflexiones de la fase anatasa
(JCPDS # 21-1272). Sin embargo las nanofibras
duales carbonizadas hasta 700 oC y 1000 oC solo
mostraron reflexiones características de una fase pura
de TiO2 rutilo (JCPDS # 21-1276), corroborando lo
observado por SAED.
En la etapa de calcinado en atmósfera inerte,
además de obtener estructuras carbonáceas
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
(provenientes en su mayoría del PAN) como parte de
la composición de las nanofibras, conduce también a
la transición de fase del polimorfo anatasa del TiO2
a su polimorfo rutilo, mismo proceso que transcurre
de manera irreversible. A medida que la temperatura
de carbonización se incrementó, las reflexiones
del TiO2 en su fase anatasa, se desaparecieron, y
por consiguiente aparecieron las reflexiones de la
fase rutilo. La transición completa de fase se logró
hasta los 700°C en las nanofibras duales, mismas
que contenían carbón en sus estructuras. El carbón
proveniente de los polímeros precursores cuenta con
una estructura molecular extremadamente orientada30
pero no lo suficiente como para difractar.
En la figura 8 se muestran las gráficas de
Nyquist representando la impedancia de los
cuatro sistemas estudiados al aplicar un potencial
catódico de perturbación de -0.1V. Para elucidar
los procesos que se llevan a cabo en las redes de
nanofibras sencillas de TiO2(rutilo)-C(amorfo), duales de
TiO2(anatasa&rutilo)-C(amorfo)/C(amorfo), y duales de
TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(grafito) además de los diagramas
de Nyquist, nos apoyamos en los diagramas de Bode
correspondientes.
Fig. 8. Gráfico de Nyquist representando la impedancia
para varios sistemas electroquímicos con EW: las redes
de nanofibras sencillas de TiO2(rutilo)-C(amorfo), duales de
TiO2(anatasa&rutilo)-C(amorfo)/C(amorfo), TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semigrafito) y TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(Grafítico); EA: Pt(s); y ER: Ag/AgCl
en KCl 3 M y un electrolito soporte de K2SO4 0.5 M. Bajo
un potencial de -0.1V.
47
�Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al.
A través de un proceso de simulación de datos
(Software ZSimpWin 3.21) y mediante el ajuste de los
datos de los diagramas de Nyquist para impedancia
se estimaron los circuitos equivalentes para describir
el comportamiento electrónico de las redes de
nanofibras. El comportamiento electroquímico
de las nanofibras sencillas de C(semi-grafito) puede ser
representado por el circuito equivalente Rs(RctQdl)Qps,
donde Rs es la resistencia interna y Rct es la resistencia
a la transferencia de carga. Los elementos de fase
constante Q son usados para establecer una relación
con la alta área superficial, donde Qdl es interpretado
como la capacitancia de la doble capa y Qps como
un elemento pseudocapacitivo. Para las nanofibras
sencillas TiO2(rutilo)-C(amorfo) y las duales TiO2(anatasa&rutilo)C(amorfo)/C(amorfo) se usó un mismo circuito equivalente
R s (R ct Q dl ). El valor de R ct calculado para las
nanofibras sencillas de C(semi-grafito) es tan solo de 19
, un valor bajo comparado con la resistencia a la
transferencia de carga de 7800 para las nanofibras
sencillas de TiO2(rutilo)-C(amorfo), confirmando que en
este último material hay una baja cantidad de cargas
eléctricas disponibles en el TiO2. La presencia de
altas cantidades de C(amorfo) en las nanofibras duales
TiO2(anatasa&rutilo)-C(amorfo)/C(amorfo) reduce el valor de Rct
hasta 1490 , sugiriendo de esta forma que las cargas
eléctricas son provistas por el carbón. El modelo
más adecuado de circuito equivalente que puede
representar el comportamiento electroquímico de las
nanofibras duales de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito)
es el Rs(Qdl(RctW))Qps, éste presenta un elemento de
difusión representado por el elemento de impedancia
Warburg (W) para considerar los posibles eventos
faradáicos que se pueden presentar debido a la
mayor conductividad de las estructuras carbonáceas
semi-grafíticas. La resistencia a la transferencia
de carga en estos materiales fue de 3.1, lo que
indica una Buena contribución de las estructuras
semi-grafíticas en la disponibilidad de portadores de
carga electrónicos. Lo anterior mejora la promoción
de las especies electroactivas en la interfase entre el
electrolito y la superficie de las nanofibras duales
TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito). Aquí se resalta la
reducción en el valor de la Rct en las nanofibras
que contienen Csg en su estructura, destacando que
las nanofibras duales, aquellas que contienen TiO2
son las que permiten una mayor difusión de los
portadores de carga.
48
Los datos de conductividad obtenidos a partir de
la prueba de dos puntas nos indican que las redes de
nanofibras duales de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito)
presentaron un valor de conductividad de 4.75x10-2 S
a temperatura ambiente, valor superior a 4.2x10-8 S y
3.5x10-8 S obtenidos para las nanofibras sencillas de
TiO2(rutilo)-C(amorfo) y duales de TiO2(anatasa&rutilo)-C(amorfo)/
C(amorfo), respectivamente.
Es ampliamente conocido que en los materiales
de tamaño nanométrico ocurre una conducción
eléctrica anómala cuya relevancia se pone de
manifiesto en el desempeño de los dispositivos para
el almacenamiento y conversión de energía.31,32 Lo
anterior nos guía en la razón por la cual las redes
de nanofibras de TiO2(rutilo)-C (semi-grafito)/C (semi-grafito)
presentaron la menor de las impedancias, esto no
solo por el hecho de que sus estructuras carbonáceas
estuvieran parcialmente ordenadas, sino también por
su tamaño nanométrico. Otro aspecto interesante
de estos resultados es el hecho de que estas redes
de nanofibras contenían en su composición la fase
rutilo del TiO2. La presencia de esta fase cristalina
en contacto con estructuras de carbón semi-grafíticas
contribuyeron a la obtención de estos resultados.33
En la figura 9 es posible apreciar la formación
de la biopelícula de E. coli K12 electroactivadas
de la tercera generación, sobre las redes de
nanofibras duales de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito);
de esta manera queda demostrado que estas redes
de bicomponente con arquitectura dual tiene la
capacidad para el crecimiento de biopelículas con
una alta densidad celular sobre su superficie. Así
mismo se manifestó la biocompatibilidad de estos
nuevos materiales con estas células bacterianas.
La curva de densidad de corriente obtenida del
ánodo probado en una media celda de combustible
microbiana se muestra en la figura 10. La máxima
densidad de corriente obtenida fue de 8 A/m3 después
de un periodo de aclimatación de 4.5 h. Realizar
un análisis comparativo de nuestro resultado con
los obtenidos por otros investigadores resulta
complicado debido a que la eficiencia depende de
muchos factores. Sin embargo, podemos mencionar
que el valor de densidad de corriente obtenido es
superior a lo reportado por Lanas, V. and Logan,
B.E., quienes lograron una densidad de corriente
máxima de 4 A/m2 utilizando fibra de grafito como
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al.
Fig. 9. Micrografías obtenidas por SEM de la biopelícula de E. coli K12 electroactivada, 3ra. Generación, sobre redes
de nanofibras duales de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito).
Fig. 10. Curva cronoamperométrica de la generación
biocatalítica de corriente usando nanofibras duales de
TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito) como ánodo.
ánodo.34 Los resultados presentados en este trabajo
representan el primer estudio en el que se aplica
una red de nanofibras duales de TiO2(rutile)-C(semigraphitic) /C (semi-graphitic), como electrodo anódico para
una MFC.
CONCLUSIONES
Con una modificación al spinneret convencional,
que involucra el cambiar de una punta capilar
metálica plana a dos puntas paralelas unidas tipo
“side-by-side” es posible obtener nanofibras duales,
que a su vez están conformadas por nanofibras
sencillas, cuya composición individual es diferente
entre ellas. Esta configuración de nanofibras duales
de bicomponente asegura un buen contacto entre
las nanofibras individuales de TiO2-Carbón y las
nanofibras de carbón, ambas obtenidas en un solo
paso de síntesis y de manera in-situ, lo cual conlleva
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
a una optimización del tiempo en el proceso.
Las nanofibras duales favorecen los procesos de
transferencia de carga, sobre las nanofibras sencillas;
siendo la nanofibra de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito)
la más efectiva para ese propósito; además de ser
biocompatibles, estos materiales tienen la capacidad
para ser empleados como sustrato del desarrollo de
biopelículas de E. coli K12 sobre su superficie y
producen una densidad de corriente de 8 A/m2 al
ser utilizados como ánodo en una media celda de
combustible microbiana. Por lo anterior, es posible
que este tipo de materiales, como las nanofibras
duales de TiO2 y carbón sean prometedoras para su
aplicación como ánodos en celdas de combustible
microbianas, no solo por su morfología nanométrica
unidimensional, sino porque se favorece el flujo
de los electrones entre los dos materiales a esas
dimensiones.
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan su agradecimiento al
Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, a la
Secretaría de Educación Pública y a la Secretaría de
Energía por los proyectos SEP-CONACyT 151587 y
SENER-CONACyT 150111. Así mismo se reconoce
el apoyo de la Universidad Autónoma de Nuevo León
por medio del Programa de Apoyo a la Investigación
Científica y Tecnológica. NAGG agradece el apoyo
a CONACyT por la beca otorgada.
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51
�Real time coordination of
directional overcurrent relays
by ACO
Meng Yen Shih, Arturo Conde Enríquez
UANL-FIME
con_de@yahoo.com
RESUMEN
La coordinación de relevadores direccionales de sobrecorriente se estudia
comúnmente en base a una topología fija en un sistema eléctrico de potencia
interconectado dada su complejidad y no linealidad, la coordinación se formula
como un problema de optimización. Los sistemas de distribución suelen sufrir
consecuencias debido a los cambios dinámicos de topología de red y la operación
de elementos. Dichos cambios son entradas y salidas de generadores, líneas y
cargas. Las consecuencias son la reducción de sensibilidad y selectividad de
relevadores. El objetivo principal de este trabajo es el coordinar los relevadores
de sobrecorriente en tiempo real. El objetivo secundario es presentar la
formulación de un algoritmo de colonia de hormiga y una comparación de la
misma con el algoritmo genético. Los objetivos fueron cumplidos a través del
desarrollo de un algoritmo en tiempo real que ha funcionado en conjunto con
los algoritmos de optimización.
PALABRAS CLAVE
Relé de coordinación de sobrecorriente, dinàmica de sistemas de potencia,
dinàmica de topologías de red, algoritmo genético, algoritmo de colonia de
hormigas.
ABSTRACT
The coordination of directional overcurrent relays is most commonly studied
based on a fixed network topology within a mesh power system. Due to its
complexity and nonlinearity, the coordination is formulated as an optimization
problem. Distribution systems often suffer consequences due to the dynamic
changes of network topology and operation of elements. Such changes are inputs
and outputs of generators, lines and loads. The consequences are reduction
of sensitivity and selectivity of relays. The principal objective of this paper
is to coordinate the directional overcurrent relays on a real time basis. The
secondary objective is to present the formulation of ant colony algorithm and a
comparison of it with the genetic algorithm. The objectives were accomplished
through the development of a real time algorithm which worked alongside with
the optimization algorithms.
KEYWORDS
Overcurrent relay coordination, power system dynamics, dynamic network
topologies, genetic algorithm, ant colony algorithm.
52
Artículo basado el trabajo
“Real time coordination
of overcurrent relays by
means of optimization
algorithm”, Premio a la
Mejor Tesis de Maestría
UANL 2014 en el área de
Ingeniería y Tecnología y
Arquitectura.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al.
INTRODUCCIÓN
The fundamental objective of a protective relay
is to detect and isolate the faulted element as soon as
possible, so that the impact to the rest of the system
is minimized, leaving intact as many non-faulted
elements as possible. As different protections are used
in different voltage levels of the power system, the
directional overcurrent relays (DOCRs) are widely
implemented in the sub-transmission and distribution
systems due to their competing costs. The purpose
of coordinating the DOCRs is to encounter settings
that minimize the operation time for faults within
the protective zone, while at the same time offering
pre-specified timed backup for relays that are in the
adjacent zones. Two settings (degrees of freedom)
were considered: “dial” which is also known as timedial setting and “k” which is the security factor that
multiplies with the load current in order to obtain the
pickup current setting.
Although DOCRs have nonlinear characteristic
curves (nonlinear function), the coordination is
carried out as a linear problem. This is because the
coordination of a pair of relays is performed based
on one point, which is the maximum coordination
current of the pair of relays. Therefore, the relays
guarantee coordination at this point; however, there
may be a loss of coordination for faults that are
located far from this point.
Over the past decades, manual coordination
of DOCRs has been the most common practice
performed by protection experts. However, due to
its complexity and nonlinearity, manual coordination
has been formulated as an optimization problem.
Several optimization methods have been proposed
to attack this problem. Coordination of DOCRs
in the frame of deterministic optimization theory
using linear programming (LP) was an approach
first reported in 1988. The problem was presented
as a linear function in which dials were computed
for given values of pickup currents.1 LP was then
studied more for this problem due to its simplicity.2, 3
Heuristic methods, such as the genetic algorithm
(GA) and particle swarm optimization (PSO) 4
of the artificial intelligence (AI) family have
quickly gained popularity in solving coordination
problems.5-8 GA has been frequently reported in
different literatures due to its simplicity, robustness
and easy implementation. This algorithm is based
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
on the evolutionary ideas of natural selection of
genes which consist of selection, reproduction and
mutation. In this case, the problem was presented as
a nonlinear function in which both the dial and the
pickup current parameters were computed.
Recently, hybrid methods have also arisen in
solving coordination problem. Their main attractions
are the reduction of search space, execution time and
the number of iterations required in encountering the
solution. The hybrid GA and mixed PSO are newly
developed methods that are combined with LP, in
which their search space are drastically reduced by
encoding only the pickup currents as input variable
strings, leaving the dials as task for LP to solve.9, 10
In other words, these hybrid methods solve
coordination problems by the linearization of the
relay function.
Although DOCRs are the simplest and cheapest,
they are the most difficult to apply and the fastest to
need re-setting as system changes. Coincidentally,
they are mostly implemented in the distribution
network, which is the most dynamic part of the
whole power system. Consequently, these dynamic
changes affect their sensitivity and selectivity, which
cause inappropriate operations. However, due to
the fact that DOCRs need to meet the fundamental
requirements of sensitivity, selectivity, reliability and
speed,11 coordination on a real time basis is proposed
in this paper.
Coordination of DOCRs considering different
network topologies has been reported in different
occasions.9, 12, 13 A set of relay settings are encountered
which will satisfy the coordination constraints of
different cases of the network topology. On the other
hand, the real time coordination proposed in this
paper is not to find a set of relay settings that will
satisfy the coordination constraints of different cases
of the network topology, but to re-coordinate all
DOCRs for every change of network topology. The
advantages by doing so are minimum relay operation
time, increment of sensitivity, and the ability to
withstand another unknown contingency. Moreover,
the idea is to coordinate DOCRs online, which
as a result enhances in meeting the fundamental
requirements mentioned above.
The developed real time algorithm first updates
data from the latest changes of the system, and then
53
�Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al.
computes load flow and fault analysis in order to
obtain input data for the optimization algorithms.
In this paper, ant colony optimization (ACO) and
GA were selected to work hand in hand with the
real time algorithm. ACO has lately been used for
the study of reactive power flow planning,14 power
flow economic dispatch,15 and power generation
scheduling.16 ACO has reported to be a powerful
tool in solving complex problems in different areas.17
The advantage of this algorithm compared to GA
is the role of global memory played by pheromone
matrix, which leads to better and faster solution
convergence. Hence, the idea to formulate the
coordination problem using ACO is original. GA,
which is widely known in the coordination area,
is used as the comparison reference. In addition,
GA is improved and selected due to its simplicity,
robustness and easy implementation.
F O R M U L AT I O N O F T H E R E A L T I M E
COORDINATION
As presented in the previous section, the
coordination of DOCRs on a real time basis enhances
meeting the fundamental requirements of sensitivity,
selectivity, reliability and speed.11 Therefore, the real
time coordination algorithm and the formulation of
coordination problem are presented sequentially.
Real time coordination
The flow diagram of real time coordination of
DOCRs is presented in figure 1.
Fig. 1. Real time coordination flow diagram.
54
The real time algorithm is a very important
segment of this paper, as presented in figure 1. It
consists of collecting data of the latest elements and
network changes, from which input data for posterior
relay coordination are computed. The online update
hardware system is assumed to have already been
manufactured; the hardware requires only the
installation of an appropriate real time algorithm.
The GA and the ACO presented in figure 1 are for
comparison purpose only.
The detailed description of the algorithm is as
follows: first, the system’s data is updated according
to elements and network changes. Then, the Ybus is
constructed or modified from the obtained data using
the Incident method and the inverse of Inspection
method. Next, both lists of “Relay Names” and
“Coordination Pairs” are generated automatically.
After that, the load flow analysis is run using the
Newton Raphson or another method. Then, the Zbus
is constructed or modified by the Block construction
method and Partial Inversion Motto. Finally,
fault analysis is run using Thevenin’s method or
Symmetrical Components.18 When all of the above are
done, the algorithm will have defined the coordination
pairs and computed the maximum load currents and
fault currents (3-ph principal, 3-ph backup, 2-ph
backup, 1-ph) of each relay for the optimization
algorithms of the original network topology.
However, to ensure that relay settings obtained
from the posterior coordination algorithm are suitable
for at least one element output without coordination
loss, the maximum load and fault currents must be
computed according to the different n-1 contingency
topologies. All elements are taken out one at a time
and the simulation is carried out over and over again
for the different n-1 contingency topologies. Only
the maximum load and fault currents are stored as
data for coordination use.
Finally, this algorithm performs a sensitivity
filtration before passing the data to the optimization
algorithms which coordinate the overcurrent relays.
This step ensures that all coordination pairs can
be coordinated. The coordination pairs that do not
satisfy the requirement of sensitivity analysis will be
omitted from the coordination process. In this way,
the optimization algorithms will not spend extra time
on trying to find settings for these insensitive pairs of
relays, which have no settings that will suit them.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al.
Formulation of Coordination Problem
Objective Function:
The purpose of formulating the coordination of
DOCRs as an optimization problem is to minimize
the principal and backup operation time of relays
while maintaining selectivity. It is of great importance
to establish a good objective function that evaluates
the fitness of the settings because this is the key to
encounter optimum solutions using optimization
algorithms. The fitness is given in (1):
Ipickup is the relay pickup current found within its
maximum Ipickupmax and minimum Ipickupmin range.
(1)
(5)
where h1, h2 and h3 are factors that increase or
decrease the influence of each sub-objective
function and will do for any other system, NCP
is the number of coordination pairs, tprimarya is the
primary operation time of relay a, tbackupb is the
backup operation time of relay b, and ECTIL is the
CTI error of L-th coordination pair.
Where t is the relay operation time, Isc3φmax is the
maximum 3-ph short circuit current, Ipickup is the
pickup current, dial is the relay dial setting, and
A,B,n are constants of the IEEE standard.
The IEEE constants of DOCRs are shown in
table I. These are the conventional curves: moderate
inverse (MI), very inverse (VI) and extremely inverse
(EI). The IEEE VI curve is used in this paper, but
other curves such as the IEC standard can be used
as well.
Primary and Backup Relay Constraints:
To coordinate the relays, there must be a time
difference between the primary and backup relay. This
time difference is called coordination time interval
(CTI). In this way, whenever the primary relay fails
to extinct a fault, the backup relay enters and tries
to extinct the fault after a pre-specified delay. It is
normally between 0.2 and 0.5 seconds, but 0.3 seconds
is used in this paper. The coordination constraint for
every coordination pair is given in (2):
(2)
where CTIL is the CTI of the L-th coordination
pair, tprimay is the primary operation time, tbackup is the
backup operation time.
There is also a range for each relay setting, from
which feasible solutions are encountered. This is
given in (3) and (4):
(3)
(4)
where dial is the relay dial setting found within its
maximum dialmax and minimum dialmin range. And
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
Relay Characteristic Curve:
The relays function according to the relay
characteristic curve (inverse time curve). This
inverse time curve operates with less time as fault
magnitude raises and more time as fault magnitude
drops. IEEE standard norm C37.112-1996 is used in
this paper and is given in (5):
Table I. IEEE Relay Parameters.
Norm
IEEE
Curve type
A
B
n
Moderate
0.0515
inverse
0.114
0.02
Extremely
28.2
inverse
0.491
2
0.1267
2
V e r
inverse
y
19.61
IMPROVED GENETIC ALGORITHM
The GA is a simple and robust algorithm that
has gained popularity over the past decades. It
performs a heuristic search based on evolutionary
ideas of natural selection of genes. A population of
search space containing sets of feasible solutions
(chromosomes) is created. Decision variables
(dial, k) are encoded as genes into the chromosome
strings. Then, genes are evaluated, penalized, ranked
and selected according to their fitness value of the
objective function. After that, principles of genetic
evolution (crossover, mutation) are applied, and the
55
�Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al.
new population is formed. The whole process is
repeated until the stopping criterion is met.
The population size indicates how many
chromosomes are in the population (in one
generation). If there are too few chromosomes, the
algorithm will have few possibilities to perform
crossover and only a small part of the search space
is explored. On the other hand, if there are too many
chromosomes, the algorithm will explore more
variety of feasible solutions, but the execution time
is excessively increased.
The population is as shown in (6):
(6)
where NC is the number of chromosomes and NR
number of relays. The population size is the number
of chromosomes multiplied by the number of relays
times two (NC,NR*2). Although chromosomes
can be encoded as binary strings, both dial and k
parameters are encoded as continuous integer strings
in this paper.
Because GA is a well known algorithm in the
coordination area, penalization, ranking and genetic
operators such as selection, reproduction, mutation
are not presented.
Steps of Protection Coordination using
Genetic Algorithm
Detailed steps of the GA performed in this paper
are presented as followed:
Randomly generate the initial population of n
chromosomes, in which each gene is a possible
solution to the problem. Genes must be found
within the specified ranges introduced in (3)
and (4).
Compute the primary and backup time of each
relay according to each chromosome.
Evaluate the fitness f(x) of each chromosome x
in the population.
Creating a new population in each iteration:
Selection: select parent chromosomes from
the population according to their fitness by
performing roulette wheel, rank and elitism.
Reproduction: use a crossover probability to
56
crossover the parents to form a new child or
children. Perform non-uniform crossover.
Mutation: use a mutation percentage to mutate the
genes of the chromosomes. Perform non-uniform
mutation at the first stages of the algorithm, then
perform intelligent mutation at the posterior
stages.
New Population: place the results of reproduction,
mutation (new children) and elitism in the new
population.
Execute the algorithm again using the new
population.
Terminate the algorithm if stopping criteria is
met, otherwise, repeat steps 2 to 5.
The improvement of GA here is the addition of
intelligent mutation. This is performed at posterior
stages of the algorithm. It consists of detecting
coordination pairs that are not coordinated, and
mutating only the settings of those relays leaving
the coordinated pairs untouched. As intelligent
mutation was incorporated into the algorithm,
numerous chromosomes and iterations are no longer
necessary. This was a very successful improvement
of this particular coordination problem because the
objective function results in all coordination pairs
being coordinated most of the time. The solution
reported here may not be the global optimum, but it
is excusable because coordination is performed on
a real time basis.
ANT COLONY OPTIMIZATION
The ACO algorithm is part of the swarm
intelligence computing, it is a meta-heuristic
optimization aiming to search for an optimal path
in a graph, based on the behavior of ants seeking a
path between their home colony and food source.
Real ants are capable of finding the shortest path
between their home colony and the food source
using only information of chemical deposits called
pheromone trails. Ants walk on pheromone trails
deposited previously be other ants, while at the same
time depositing pheromone trails on the ground
for future ants to follow. The pheromone trails are
volatile over time. When an ant comes across more
than one pheromone trail, it selects the most intense
trail to follow according to the transition rule. The
intensity of a pheromone trail deposited on a route
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al.
depends on the number of ants traveled on it and
the amount of food found through it. This biological
behavior inspired the ACO algorithm, in which a set
of artificial ant agents adopt the behavior of real ants
in solving a problem by exchanging information via
pheromones deposited on a graph.
Nomenclature
Ant agents are a number of artificial ants that
build solutions to an optimization problem and
exchange information on their quality through a
communication scheme that is reminiscent of the
one adopted by real ants.17
The AS-graph (search space) is a matrix that
contains discrete settings (states) of the control
variables (stages).14 In other words, this graph or
matrix contains the set of feasible solutions to the
optimization problem, which will be explored by the
ant agents. Another matrix, called the pheromone
matrix, is created to represent the attractiveness of
each discrete setting.
The Pheromone matrix is a matrix that contains
information about the chemical pheromone deposited
by ants. The matrix shows the pheromone intensity
of each discrete setting, therefore describing the
attractiveness of every possible route to the solution.
The more intense a setting is, the more probability
it has to be chosen by an ant agent as part of the
solution.
The Transition rule is the probabilistic and
stochastic mechanism that ant agents use to evaluate
the pheromone intensity in order to decide which
point is the most attractive to visit next.
The Pheromone update is the process in which
pheromone intensities are increased or decreased
according to the evaluated results, regardless of
whether the settings lead to good or bad solutions.
This is achieved by decreasing the pheromone values
through pheromone evaporation and increasing the
pheromone levels by depositing more pheromone if
it is a set of good solution.
The algorithm is started with many sets of
solutions (states); together, all the states form the ASgraph search space. This AS-graph is held constant
throughout the whole searching process; therefore it
does not change from iteration to iteration. On the
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
other hand, pheromone matrix is a representation
of attractiveness of each discrete setting (edge) that
does change not only in all iterations but in every ant
tour. The settings that fit well will consequently lead
the ant agents to deposit more and more pheromone
until all ants converge on this route (set of settings).
In this way, the optimal solution is found. The whole
process is repeated until the stopping criterion is
met.
The AS-graph size indicates how many states
are in the AS-graph. If there are too few states, the
algorithm will have fewer possibilities to obtain the
optimal solution to the problem, and only a small part
of the search space is explored. On the other hand,
if there are too many states, the algorithm increases
the possibility to encounter the optimal solution, but
it drastically slow down the whole process.
Formulation of Ant Colony Optimization
1) AS-graph:
The size of the AS-graph is a (m,n*NR) matrix
where m represents number of states, n number of
stages and NR number of relays. For example if a
system has 5 relays with 2 degrees of freedom (dial and
k), then the size of the AS-graph for 20 states will be
(20, 10). There will be a total of 200 discrete settings
of relays. As more degrees of freedom are added to the
AS-graph, the size of AS-graph increases.
The AS-graph is as shown in (7):
(7)
In order to create the AS-graph matrix, necessary
data such as upper and lower limits and steps of the
control variables are needed. For example if a system
has 2 relays with 2 degrees of freedom (dial,k) which
the range of dial is [0.5, 1.4] in steps of 0.1 and the
range of k is [1.4, 1.6] in steps of 0.05, then the ASgraph is a (10, 4) matrix. Note that there are 10 values
in the range of dial setting including upper and lower
limits, but there are only 5 values in the range of k
setting including upper and lower limits. Under this
circumstance, complete the rest of the matrix of the
k settings by repeating the upper limit of k. This is
to have a sequential order.
57
�Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al.
Pheromone Matrix:
The pheromone matrix γ(m,n) is constructed
according to the size of AS-graph, where m is the
number of states and n is the number of stages. This
matrix is initialized as shown in (8):
(8)
where τ_max is the maximum pheromone trail and
is given in (9):
(9)
where fgbest is the global best solution (best over all
the past iterations) and α is an empirical value that
best suits in the range [0.88, 0.99] [11]. In the case
of initializing the pheromone matrix, f_gbest is an
initial estimation of the best solution.
In this paper, pheromone matrix was first
constructed with all equal edges as presented in (8).
However, as in the construction of the AS-graph, the
smallest settings of relays occupy the first rows of
the AS-graph. These settings are the ideal settings
for coordination due to the reason that they will
result minimum operation time. Hence, after the
pheromone matrix is constructed, the pheromones
of the first rows of this matrix are increased. This
was done to help the algorithm find the best time
operation settings in less time, so one decide how
many rows to change and in what amount. One shall
not change too many rows and the changes should
not be large because this will significantly affect the
performance of the exploration of ants.
Transition Rule:
When ant-j is at the r-state of the (i-1)-stage, it
will choose the s-state of the (i)-stage as the next visit
according to the transition rule shown in (10):
(10)
where
is a memory tabu list of ant- j that defines
the set of points still to be visited when it is at point r.
The pheromone of the next possible visit of (i)-stage
currently under evaluation is γ(r,s) and ∑lγ(r,l) is the
pheromone sum of the entire column of the (i)-stage
under evaluation.
58
Pheromone Update:
Local pheromone update:
The pheromone trail on each edge of the ant-j tour
is updated immediately as the ant-j agent finishes its
tour. This is given in the (11):
(11)
(12)
where α is the persistence of the pheromone
trail within the range 0<α<1, (1-α) represent the
pheromone trail evaporation and ∆γ k(r,s) is the
amount of pheromone that ant-j puts on edge (r,s).
The desirability of the edge (r,s) is represented by ∆γj,
such as a shorter distance, a better performance, and
in this case a smaller operation time. The objective
function evaluation of the settings of ant-j tour is
represented by f and Q is a positive constant. It is
observed from (12) that as constant Q increases, the
amount of pheromone deposited by an ant decreases.
Here Q was chosen to be 100.
Global pheromone update:
After all ant agents have completed their tours in
the iteration, the primary and backup operation times
are computed. The objective function is evaluated
for each ant tour and all pheromone edges (r,s) of
the best ant tour (the ant tour with best fitness value)
are updated according to (13):
(13)
where fbest is the best solution of this iteration, R is a
positive constant and
is the location list of the
best ant tour that records the state of each stage when
ant-j moves from one stage to another. It is observed
from (13) that as constant R increases, the amount
of pheromone deposited by an ant increases. Here
R was chosen to be 5.
In this work, the global pheromone update was
not performed as described in the previous paragraph.
This was because updating only the best ant tour
leads to premature convergence. Therefore, the global
pheromone update was performed by updating a
percentage of the best ant tours. For example, 30% of
the ant tours that ranked the best were updated.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al.
Empirical tests have shown that the ACO
converges faster when both Q and R are arbitrarily
large numbers and almost equal to one another.
Studies in the literatures might use Q=R=1,000,000
for other problems, but such large constant is not very
suitable to use here because the algorithm converges
around 30 iterations, leaving many coordination
pairs uncoordinated. This is the reason for choosing
Q=100 and R=5. They were chosen empirically but
can work for any network.
Intelligent Exploration:
Intelligent exploration of the AS-graph consists
of exploring the setting (dial) of specific relays
after a pre-specified amount of iterations. This was
programmed to help coordinating all coordination
pairs. The dial setting was chosen because it has
more influence on the relay operation time.
First, the coordination pairs that are not coordinated
are detected. Then, a pair is selected to start with.
Next, the setting of this specific relay (primary) is
obtained from the best ant tour and is used as the
upper limit. Afterwards, (13) is applied again but
with the modification as given in (14).
(14)
where ran1 is a random number selected from the
interval [1:r]. Pheromone is then deposited on this
edge. Note that r represent the upper limit (state)
and s represent the specific relay (stage). Depositing
pheromone on this specific edge will lead the ant
agents to explore the corresponding setting from
the AS-graph. And because it has an upper limit, the
newly explored edge will correspond to a smaller
setting in the AS-graph, leading to a reduction of
primary operation time.
The setting of the specific relay (backup)
is obtained from the best ant tour of the same
coordination pair that was selected previously, and it
is used as the lower limit. Then (13) is applied again
but with the modification as given in (15).
Depositing pheromone on this specific edge will lead
the ant agents to explore the corresponding setting
from the AS-graph. Because it has a lower limit,
the newly explored edge will correspond to a bigger
setting in the AS-graph, leading to an increment of
backup operation time.
If all coordination pairs were coordinated then
coordination pairs that have a greater CTI than
the pre-specified are detected and reduced. A
coordination pair is chosen to start with and the
settings of both relays (primary and backup) are
obtained from the best ant tour and used as the
upper limit. Then, (13) is applied again, this time,
for both the primary and backup relay. By doing
so, pheromone trails are deposited on these specific
edges (both primary and backup). This leads ant
agents to explore the corresponding settings from the
AS-graph. And because they have upper limit, the
newly explored edges will correspond to a smaller
setting in the AS-graph, leading to a reduction of
both primary and backup operation time.
Test system
The IEEE 14-bus test system was chosen as
shown in figure 2. The system consists of 32 phase
relays and they are located as shown in figure 2. The
voltages were selected to be 34.5 kV for buses at high
voltage side of transformers and 22 kV for buses
at low voltage side of transformers. All relays are
considered to have very inverse time characteristic
curve as was presented in table I.
(15)
where ran2 is a random number selected from the
interval [r:end of state]. The Pheromone is then
deposited on this edge. Note that r represent the lower
limit (state) and s represent the specific relay (stage).
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
Fig. 2. IEEE 14 bus test system.
59
�Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al.
In this present work, coordination of phase relays
will be studied and ground relays will be omitted. As
ground protection is an easier problem, the study here
will concentrate on the complicated coordination of
phase relays.
The relay names are not assigned as a number, as
was done conventionally, but are instead generated
automatically by the real time algorithm as a string
of numbers. These relay names (string of numbers)
consist of 3 digits. The first digit is the name of the
nearby bus, the second digit is the name of the remote
bus and the third digit represents the number of parallel
lines between two buses. For example, the relays
between buses 1 and 2 that are near bus 1 are assigned
as [1 2 1] and [1 2 2], while the relays that are near bus
2 are assigned as [2 1 1] and [2 1 2] respectively.
The two lines between buses 1 and 2 have the
same impedance value. Therefore the relays [1 2 1],
[1 2 2], [2 1 1] and [2 1 2] sense the same amount
of maximum load currents of 815 A, but due to the
n-1 contingency analysis described in section II-A,
the maximum load currents of these relays are 1,849
A. The current values are based on minimum load
operation.
The CTI is proposed to be 0.3 seconds. Both dial
and k are considered continuous in GA, their range
are [0.5:2.0] and [1.4:1.6] respectively. However,
dial and k are considered as discrete values in ACO,
their range and step are [0.5:2.0], [1.4:1.6] and 0.05,
0.01 respectively. Other parameters of the ACO are
Q = 100, R = 5. The only stopping criterion is to stop
when the algorithms have reached the maximum
iteration of 1,000. Although each algorithm has its
own stopping criteria, they were disabled in order to
be comparable between them. The GA is simulated
with 500 chromosomes and the ACO is simulated
with 500 ant agents.
The fault currents are calculated with the remote
end opened. This was done due to two considerations:
to obtain the maximum fault current that the relay
senses and the very small probability for the remote
end relay to malfunction. Note that as the operation
of the elements or the network topology changes,
load flow and fault analysis must be computed again
through real time algorithm.
RESULTS AND DISCUSSIONS
Fixed Network Simulation
The main network is simulated using both the
GA and the ACO with the corresponding parameters
presented in previous section. There are a total of 39
relay coordination pairs after the sensitivity filter.
Both algorithms were simulated 10 times. The
convergence of each algorithm was averaged using
the best fitness of each iteration of the 10 simulations.
This is presented in figure 3 for comparison.
The averaged number of violations of coordination
constraints, averaged fitness convergence and
averaged time of both the GA and the ACO are 0.1,
10.611, 5507 seconds and 0, 7.994, 441 seconds
respectively. From these results, it is concluded that
ACO has fewer violations of coordination constraint,
better convergence and faster performance than
GA. Note that in ACO, all coordination pairs are
coordinated for the 10 simulations. On the contrary,
some of the 10 GA simulations do not have all
coordination pairs coordinated.
The averaged relay settings and operation time,
as well as CTI and sensitivity of the 10 averaged GA
and ACO simulations are presented in table II.
Table II. Averaged relay settings, operation time, cti
and sensitivity of both Ga and aco for main network
topology at maximum load.
Fig. 3. Averaged fitness convergence of the main network
topology of both GA and ACO in ten simulations operating
at maximum load.
60
Algorithm
Dial
k
GA
ACO
1.1324
0.9875
1.4952
1.5004
Blackp
Time
3.1425
2.3968
Primary
Time
1.1817
1.0383
CTI
Sensitivity
1.9650
1.3581
3.12005
3.12624
Although it is observed from table II that the
averaged dial is near 1, there are many relays that
use the minimum dial value, which leads to faster
operation time. Some relays use a dial near minimum,
and the rest use bigger dials due to the necessity for
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
�Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al.
coordination. All relays use small k which leads to
greater sensitivity. This observation goes for both
the GA and the ACO.
Real Time Coordination
The results presented in section VI-A are
computed based on the maximum load currents.
Now suppose that there is a decrement of load flow
to minimum due to a seasonal change. The relays
of the system can have faster operation time and
better sensitivity if they are computed again using
real time algorithm (to obtain the latest fault and
load currents) and the coordination algorithms are
run again. There are a total of 48 relay coordination
pairs after the sensitivity filter as the load decreased.
Both algorithms were simulated 10 times. The
convergence of each algorithm was averaged using
the best fitness of each iteration of the 10 simulations.
This is presented in figure 4 for comparison.
The averaged number of violations of coordination
constraints, averaged fitness convergence and
averaged time of both the GA and the ACO are
1.4, 11.748, 5825 seconds and 0, 6.968, 438
seconds respectively. From these results, it is
concluded that the ACO has fewer violations of
coordination constraints, better convergence and
faster performance than GA. Note that in the ACO
all coordination pairs are coordinated for the 10
simulations. On the contrary, some of the 10 GA
simulations do not have all coordination pairs
coordinated.
Fig. 4. Averaged fitness convergence of the main network
topology of both GA and ACO in ten simulations operating
at minimum load.
The relay operation time of the newly coordinated
original system due to season change is shown in
table III.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
Table III. Averaged relay settings, operation time, cti and
sensitivity of both ga and aco for main network topology
at minimum load.
Algorithm
Dial
k
Blackp
Time
Primary
Time
CTI
Sensitivity
GA
ACO
1.1336
1.1165
1.4909
1.4434
2.7546
2.1331
0.8511
0.7973
1.9266
1.3357
4.03250
4.17205
A better comparison between the GA and the
ACO algorithms and the averaged relay operation
results before and after seasonal change is presented
in a chart form as presented in figure 5.
The “NV” represents the amount of not coordinated
pairs, or in other words the amount of violations of
coordination constraints, “tp” and “tb” represent
primary and backup time, “CTI” is the coordination
time interval, “sen” represents the sensitivity, and
“dial” is the time dial and “k” is the security factor
that multiplies the load current.
From figure 5 it is observed that the NV is zero
for the maximum and minimum loads using ACO,
while it is 0.1 for the GA at maximum load and
1.4 at minimum load. The increase in the averaged
NV for the GA at the minimum load is because the
number of coordination pairs increased as the load
current decreased, leading the GA being incapable to
satisfy all the coordination constraints using only 500
individuals. However, due to the need of fast execution
time for the purpose of real time coordination, the
amount of individuals must not be increased if a
serious consideration is not taken into account.
Fig. 5. Comparison chart of the averaged values of both
GA and ACO operating the main network topology at
maximum and minimum load.
The tp and tb of both the GA and the ACO
algorithms operating at the minimum load is smaller
than operating at the maximum load. This proves
the idea of obtaining better relay operation time
performance using real time coordination. The tp and
61
�Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al.
tb of the ACO are smaller than those of the GA. The
CTIs of the ACO are smaller than those of GA. It is a
very remarkable improvement of sensitivity when the
system is executed by the real time algorithm at the
minimum load operation. There was a small increase
of dial using the ACO when the system is operating
at the minimum load. This is reasonable because
the dial is the major factor that affects the operation
time. When load current decreases the relay operation
time decreases (faster operation) as well, so the dial
increases to maintain coordination. On the contrary,
if the load current increases, the dial decreases. There
was a small decrease of k using the ACO when
the system is operating at the minimum load. This
decrement of k leads to increment of sensitivity.
Modified Network Simulation
Suppose now that the main network topology
suffered the following change when it was operating
at the minimum load: an outage of distribution line
[1 2 2] due to maintenance.
As contingency analysis was taken into account
in the load flow and fault simulation in the real time
algorithm, the outage of line [1 2 2] did not cause
inappropriate operation of the nearby relays which
would have lead to severe loss of selectivity. All
relays maintained coordinated for this change of
network topology. If the n-1 contingency analysis
was not taken into account, same relays would have
loss selectivity for this change of topology. Now if
another element is out of service, the actual relay
settings will no longer maintain selectivity. Hence,
in order to let all relays maintain coordinated for
another outage (expected or unexpected), the new
topology must be simulated again from real time
algorithm to coordination.
There are 41 coordination pairs for the new
system due to network change. The averaged number
of violation of coordination constraints, averaged
fitness convergence and averaged time of both GA
and ACO are 0.8, 11.637, 4028 seconds and 0, 7.694,
Table IV. Averaged relay settings, operation time, cti
and sensitivity of both Ga and aco for modified network
topology at minimum load.
Algorithm
Dial
k
Blackp
Time
Primary
Time
CTI
Sensitivity
GA
ACO
1.1468
1.0340
1.4909
1.4982
3.2725
2.4744
1.1006
0.9577
2.2031
1.5167
3.77672
3.75726
62
377 seconds respectively. The relay operation time
of the modified network is shown in table IV.
A comparison between table III and IV and the
averaged relay operation results before and after
network change at minimum load is presented in
chart form as shown in figure 6.
Fig. 6. Comparison chart of the averaged values of both
GA and ACO operating the modified network topology
at minimum load.
There are zero NV for ACO algorithm. The NV
reduced for GA because the number of coordination
pairs reduced, leading to less coordination constraints.
The increments of both GA and ACO such as tp, tb,
and the decrements such as sensitivity, dial are due
to the outage of line [1 2 2] that caused the increment
of load current for the remaining DOCRs.
CONCLUSION
In this paper, the idea of real time coordination is
presented by formulating the coordination problem
using the ACO. The main contribution of this
research work is introducing the brilliant idea of real
time (online) coordination. In other words, the aim
is to find as quickly as possible a set of solution that
will guarantee the sensitivity and selectivity of relays
not only for the current topology, but tolerating an
n-1 contingency on a real time basis.
The implementation of the proposed algorithm can
be performed in various ways, such as considering
discrete or continuous relay settings. Also the
update can be performed every change of season
(less frequently) or every change of demand (more
frequently).
REFERENCES
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Optimal coordination of directional overcurrent
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65
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Manohar Singh, B. K. Panigrahi, Optimal
overcurrent relay coordination in distribution
system, IEEE, 2011.
Dharmendra Kumar Singh and S. Gupta, Optimal
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A genetic algorithm approach, IEEE Students’
Conference on Electrical, Electronics and
Computer Science, 2012.
Dusit Uthitsunthorn and Thanatchai
Kulworawanichpong, Optimal overcurrent
relay coordination using genetic algorithms,
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Abbas Saberi Noghabi, Javad Sadeh, and
Habib Rajabi Mashhadi, Considering different
network topologies in optimal overcurrent
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pp. 1857-1863, Octuber 2009.
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Protective relaying, principles and applications,
3rd edition, 2006.
12.A. J. Urdaneta, L. G. Perez, and H. Restrepo,
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network topology, IEEE Transactions on
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15.Yun-He Hou, Yao-Wu Wu, Li-Juan Lu, XinYin Xiong Generalized ant colony optimization
for economic dispatch of power systems, IEEE,
2002.
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generation scheduling using ant colony system
based optimization approaches, IEEE Transactions
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17.Marco Dorigo, Mauro Birattari, and Thomas
Stutzle, Ant colony optimization: artificial ants
as a computational intelligence technique, IEEE
Computational Intelligence Magazine, November
2006.
18.Hadi Saadat, Power system analysis, McGrawHill, ISBN 0-07-561634-3, 1999.
63
�Eventos y reconocimientos
OBITUARIO
El pasado 30 de julio falleció, a la edad de 65
años, el Ing. Lorenzo Vela Peña, quien fuera alumno,
maestro y posteriormente (1978-1984), director
de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica.
También fue Secretario General de la UANL (19851991), Secretario de Educación del Estado de Nuevo
León (1991-1992); Director General del Instituto de
Capacitación y Educación para el Trabajo, Secretario
de Desarrollo Económico (1995-1999); Coordinador
General de Universidades Tecnológicas de Nuevo
León (1997-1999); Director de la Dirección
General de Educación Técnica Industrial DGETI
(2001-2006); Coordinador General de las Oficinas
de Servicios Federales de Apoyo a la Educación
OSFAE (2006-2007). Su cargo más reciente fue el
de Rector de la Universidad Tecnológica General
Mariano Escobedo.
El Ing. Vela fue jugador del equipo de futbol
americano de la FIME y posteriormente el entrenador
de los Osos de FIME, y en 2011 se le otorgó la presea
Caballero Tigre como reconocimiento a su labor en
beneficio del futbol americano.
64
PRIMEROS 100 DÍAS DE ADMINISTRACIÓN
El pasado 8 de agosto se llevó a cabo una reunión
en la que el director de la FIME, Dr. Jaime A. Castillo
Elizondo, compartió con alumnos y maestros algunos
de los logros más inmediatos de la administración
a su cargo, enfatizando los 36 compromisos que se
han cumplido los primeros 100 días.
En esta reunión estuvo presente el Rector
de la UANL, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, quien
además expresó un mensaje de reconocimiento.
Lo acompañaron el Ing. Rogelio G. Garza Rivera,
Secretario General de la UANL y exdirector de
la FIME; el Dr. Juan Manuel Alcocer, Secretario
Académico de la UANL; así como el Ing. José
Antonio González Treviño y el MC. Guadalupe
Evaristo Cedillo Garza, exdirectores de la FIME.
El Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, atendiendo a los
estudiantes en sus primeros 100 días al frente de la
administración de la FIME.
ADQUISICIÓN DE AERONAVE FIME-EIAO
El pasado 8 de agosto, en acto presidido por el
Rector, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, y en el que se
contó con la presencia del Dr. Jaime A. Castillo
Elizondo, Director de FIME; el maestro Fernando
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65
�Eventos y reconocimientos
Rodríguez Gutiérrez, Director de la EIAO; y el Ing.
Sergio Gutiérrez Peña, Presidente de la Federación
Mexicana de Pilotos y Propietarios de Aeronaves,
se entregó un Jet Dassault Falcon-20 que permitirá
realizar prácticas a los estudiantes de las carreras
de Técnico en Mantenimiento Aeronáutico, que
se imparte en la Escuela Industrial y Preparatoria
Técnica “Álvaro Obregón” (EIAO), y la de Ingeniero
en Aeronáutica, de la Facultad de Ingeniería
Mecánica y Eléctrica (FIME).
La aeronave, adquirida con el apoyo de la
Fundación UANL, estará a cargo del Centro
de Formación, Capacitación y Adiestramiento
Aeronáutico “F-111” de la EIAO, autorizado por la
Dirección General de Aeronáutica Civil.
Autoridades, profesores y alumnos junto al Jet Dassault
Falcon-20 de la FIME-EIAO.
PREMIOS DE INVESTIGACIÓN UANL 2014
El pasado 18 de agosto se entregó el Premio de
Investigación 2014 durante la Sesión Solemne del
H. Consejo Universitario.
Entre los merecedores de dicho reconocimiento
se encuentra el Dr. Roger Z. Ríos Mercado, de la
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, con el
trabajo en el área de Ciencias Exactas, “Planificación
inteligente de territorios comerciales incluyendo
requerimientos de realineación y asignación
disjunta” con la colaboración del Dr. Jesús Fabián
López Pérez de la Facultad de Contaduría Pública
y Administración.
Además, se galardonó en el área de Ingeniería
y Tecnología al trabajo titulado: “Producción de
bioelectricidad utilizando nanofibras duales de TiO2/
Carbón como electrodo en la celda de combustible
microbiana” a la M.C. Nora Aleyda García Gómez y
el Dr. Eduardo Sánchez Cervantes de la Facultad de
Ciencias Químicas, así como el Dr. Domingo Ixcóatl
García Gutiérrez de la FIME.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65
Otro trabajo premiado fue “Nuevas direcciones
empíricas en la investigación e innovación de
tecnología educativa para la evaluación del aprendizaje
en línea: una aproximación conexionista”, en el
área de Humanidades, realizado por el Dr. Ernesto
Octavio López Ramírez, la Dra. Guadalupe Elizabeth
Morales y Claudia Jaquelina González Trujillo, de
la Facultad de Psicología, con la colaboración de la
Dra. María Isolde Hedlefs Aguilar y Argenis Paul
Moreno Meza, de la FIME.
Ganadores del Premio de Investigación UANL 2014 con
el director de la FIME, Dr. Jaime A. Castillo Elizondo
(centro), a la izquierda: Dr. Jesús Fabián López Pérez y
Dr. Roger Ríos Mercado; a la derecha: Ing. Nora Aleyda
García Gómez y Dr. Domingo García Gutiérrez.
MEJOR TESIS DE LICENCIATURA Y MAESTRÍA
UANL 2014
En la Sesión Solemne del H. Consejo Universitario
celebrada el 18 de agosto, se entregaron los premios
a las mejores tesis de licenciatura y maestría. En el
área de Ingeniería y Tecnología y Arquitectura, el
Ganadores del Premio a la Mejor Tesis de Licenciatura,
desde la izquierda: Dr. Virgilio González Glz., Profesor
de la FIME y asesor de la tesis: Dr. Jesús Ancer Rodríguez,
Rector; Dr. Jaime A. Castillo Elizondo director de la FIME;
Ing. Lucía Guadalupe de la Cruz, Premiada; MC. Juan
Ángel Garza Garza.
65
�Eventos y reconocimientos
premio a la Mejor Tésis de Licenciatura correspondió
al trabajo “Modificación superficial de TiO2,con
agentes de acoplamiento del tipo silano y su
aplicación en PA6”, realizado por la estudiante Lucía
Guadalupe de la Cruz asesorada por el Dr. Virgilio
Ángel González González, y el de la Mejor Tesis de
Maestría fue para el trabajo “Real time coordination
of overcurrent relays by means of optimization
algorithm” realizado por el Ing. Meng Yen Shih y
asesorado por el Dr. Arturo Conde Enríquez.
Ing. Meng Yen Shih, ganador del Premio a la Mejor Tesis
de Maestría.
CENTRO DE ENTRENAMIENTO AIRBUS
El pasado 11 de septiembre se llevó a cabo
la instalación del Centro de Entrenamiento de
AIRBUS, el cual surge de la cooperación entre
la UANL y VivaAerobus, para la capacitación de
Autoridades presentes en el anuncio del Centro de
Entrenamiento Airbus.
66
pilotos y personal de mantenimiento en América
Latina. El anuncio dado en el Centro de Investigación
e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA)
estuvo a cargo del Dr. Jaime A. Castillo Elizondo,
director de la FIME, con la presencia del Dr. Jesús
Ancer Rodríguez, rector de la UANL, el Ing. Rogelio
Garza Rivera, Secretario General de la UANL, así
como directivos de VivaAerobus en América Latina
y Caribe, encabezados por su presidente, el Ing.
Rafael Alonso, y el alcalde de Apodaca, lugar en
el que se instalará el centro, C.P. Raymundo Flores
Elizondo.
MEDALLA AL MÉRITO “DIEGO DE
MONTEMAYOR”
En Sesión Solemne del Ayuntamiento de
Monterrey celebrada el pasado 20 de septiembre, se
entregó la medalla al mérito “Diego de Montemayor”,
máximo galardón que el gobierno de la Ciudad
otorga a un ciudadano.
Los reconocidos fueron el rector de la Universidad
Autónoma de Nuevo León, Dr. Jesús Ancer
Rodríguez, rector de la UANL, por su dedicación
al trabajo académico; el Dr. Alejandro Rodríguez
Miechelsen, por su trayectoria profesional y
liderazgo; y de manera póstuma al Ing. Lorenzo
Treviño Zambrano, cuya labor empresarial definió
al moderno entorno comercial regiomontano. Las
medallas fueron entregadas por la Lic. Margarita
Arellanes Cervantes, alcaldesa de esta ciudad.
Desde la izquierda: Dr. Alejandro Rodríguez Miechelsen,
Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Lic. Margarita Arellanes
Cervantes, Ing. Jorge Zambrano Treviño.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65
�Titulados a nivel Maestría
en la FIME-UANL *
Julio - Septiembre 2014
Raúl Quiñones Pacheco, Maestría en Administración
Industrial y de Negocios con orientación en
Relaciones Industriales, (Por materias), 4 de julio
de 2014.
Marcel Esaú Mendez Benavides, Maestría en
Administración Industrial y de Negocios con
orientación en Producción y Calidad, (Por materias),
4 de julio de 2014.
Wilbert Alejandro Robles Vázquez, Maestría en
Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones,
(Por materias), 4 de julio de 2014.
Fernando Manuel Rodríguez Solórzano, Maestría
en Administración Industrial y de Negocios con
orientación en Relaciones Industriales, (Por
materias), 4 de julio de 2014.
Alejandro Rodríguez Palma, Maestría en Logística
y Cadena de Suministro con orientación en Dirección
y Operaciones, “Sistema primero llega - primero
para enlaces ferroviarios”, 7 de julio de 2014.
Dora Elia Cantú Linares, Maestría en Administración
Industrial y de Negocios con orientación en
Relaciones Industriales, “Estudio de concepto de
producto”, 11 de julio de 2014.
Brenda Aidé Peña Cantú, Maestría en Ciencias en
Ingeniería de Sistemas, “Inferencia de parámetros en
líneas celulares de cáncer”, 11 de julio de 2014.
Vianca Guadalupe González Rivera, Maestría
en Administración Industrial y de Negocios con
orientación en Producción y Calidad, “Fundición
MR”, 15 de julio de 2014.
* Información proporcionada por el Departamento de
Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la
FIME-UANL.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65
A lfred o San to s Vi l la r real , M a es t ría e n
Administración Industrial y de Negocios con
orientación en Producción y Calidad, “Estudio para
determinar el tiempo de ciclo y balanceo de línea en
planta de producción de cabezas formadas en frío”,
16 de julio de 2014.
Jorge Christopher Garza Sepúlveda, Maestría
en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Análisis
multicriterio de puntos de inflexión de precio en el
mercado de divisas”, 17 de julio de 2014.
Raúl Ángel Uresti Ambriz, Maestría en
Administración Industrial y de Negocios con
orientación en Producción y Calidad, “Impacto de
la inseguridad en la economía de México”, 17 de
julio de 2014.
Jorge Luis Gutiérrez Platas, Maestría en
Administración industrial y de Negocios con
orientación en Producción y Calidad, “Plan de
Negocios Electro Proveedora Gutiérrez”, 21 de
julio de 2014.
Jazmín Paulina de la Cruz Treviño, Maestría en
Logística y Cadena de Suministro con orientación en
Dirección y Operaciones, “Variaciones de pérdida
de tornillería en inventarios generales”, 21 de julio
de 2014.
Franc is co Ven egas Amar a, Ma es t rí a en
Administración Industrial y de Negocios con
orientación en Producción y Calidad, “5’s en
laboratorios de FIME”, 24 de Juilio de 2014.
Eugenio Gutiérrez Padilla, Maestría en Ciencias
y Tecnología Cerámica con orientación en Vidrio,
“Formulación de vidrios sodo-cálcicos con bajo
contenido de óxido de magnesio y estudio de
propiedades físicas para su aplicación en procesos
67
�Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL
de prensa y soplo-prensa”, 30 de julio de 2014.
Celia Cantú Garza, Maestría en Administración
Industrial y de Negocios con orientación en
Producción y Calidad, (Por materias), 1 de agosto
de 2014.
Francisco Rojas Cabrera, Maestría en Ingeniería
con orientación en Mecánica, (Por materias), 1 de
agosto de 2014.
Hugo Alberto Colín Reyna, Especialización en
telecomunicaciones y control, (Por materias), 6 de
agosto de 2014.
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Administración Industrial y de Negocios con
orientación en Relaciones Industriales, “Ambiente de
trabajo, compromiso e impacto en una institución de
educación superior”, 11 de agosto de 2014.
Ricardo Montemayor Garza, Maestría en Logística
y Cadena de Suministro con orientación en Dirección
y Operaciones, “Integridad de inventarios”, 11 de
agosto de 2014.
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en Ingeniería con orientación en Manufactura,
“Distorsión Geométrica en Procesos de Maquinado
vinculado al desgaste de herramientas”, 12 de agosto
de 2014.
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en Administración Industrial y de Negocios con
orientación en Finanzas, (Por materias), 13 de agosto
de 2014.
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en Ingeniería con orientación en Eléctrica, (Por
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Logística y Cadena de Suministro con orientación
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la programación de la producción de una planta
manufacturera: El caso Planta Textil de Reciente
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Industrial y de Negocios con orientación en Producción
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en Control Autónoma, “Reflexión de luz en guías de
onda con estructuras confinantes en el núcleo”, 22
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Logística y Cadena de Suministro con orientación en
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y Calidad, “Aplicación de Lean Manufacturing en un
Producto”, 5 de septiembre de 2014.
Carlos Alberto Onofre Barrón, Maestría en Ciencias
de la Ingeniería Eléctrica con Orientación en Control
Automático, “Modelo de Canal y fuente de información
para un sistema de control vehicular que utilizará
tecnología RFID”, 12 de septiembre de 2014.
Ernesto González Flores, Maestría en Administración
Industrial y de Negocios, con orientación en
Relaciones Industriales, “Reciclado de llantas”, 17
de septiembre de 2014.
José Javie r Barri os Lun a, Ma es tr ía en
Administración Industrial y de Negocios, con
orientación en Producción y Calidad, “Kaizen líneas
de producción SMD”, 17 de septiembre de 2014.
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la Ingeniería Automotriz, “Método experimental
para la determinación de la difusión de Carbono en
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65
�Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL
Aceros de baja aleación en rangos industriales de
composición”, 19 de septiembre de 2014.
Ricardo Jesús Ibarra Ramírez, Maestría en
Administración Industrial y de Negocios, con
orientación en Relaciones Industriales, “Mejora de
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65
servicio con las aulas inteligentes”, 29 de septiembre
de 2014.
René Antonio Jalomo Durán, Maestría en Ingeniería
con orientación en Mecánica, (Por materias), 30 de
septiembre de 2014.
69
�Acuse de recibo
Construcción y Tecnología en Concreto
CERO gradoscelsius
La revista Construcción y Tecnología en
Concreto (ISSN 01877895) es una publicación
del Instituto Mexicano del Cemento y del
Concreto, A.C, en la que se presentan artículos
sobre tecnología, arquitectura, urbanismo y
sustentabilidad en el ámbito de urbanización y
construcción.
La revista cuenta con su versión electrónica a la
que se puede acceder por medio de su código QR que
está impreso en el índice, dando acceso a novedades
exclusivas en el portal.
La edición número 51, del mes de agosto, presenta
en su articulo principal “Un gigante de concreto” la
construcción de la torre mas alta del estado de Nuevo
León hablando sobre temas tales como su diseño,
tecnología y la inversión económica que representa
dicha obra, ubicada en Valle Oriente.
Para mayor información se puede visitar la
página http://www.imcyc.com/revistacyt/.
Esta revista es la publicación mensual de
la asociación Nacional de Distribuidores de la
Refrigeración y Aire Acondicionado (ANDIRA),
y se enfoca en el mantenimiento y capacitación
de diversos sistemas de calefacción, ventilación
y refrigeración. La revista comprende variados de
los temas ya mencionados dando especial realce a
las innovaciones tecnológicas, incluyendo reseñas
de eventos y productos.
Como ej emplo, el a rtí cul o “Tor re s d e
enfriamiento” trata del mantenimiento preventivo
y correctivo de dichos sistemas, incluyendo un
resumen de los diferentes tipos de torres de acuerdo
a los tipos de aire, así como varios procedimientos
y casos para corregir problemas.
El contenido de esta revista puede consultarse
en la página oficial de la revista, www.0grados.
com.mx, la cual cuenta también con material
adicional por escrito y contenidos multimedia.
Bertha Idalia González Reyes
Eduardo Mauricio Cantú Lizcano
70
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65
�Colaboradores
Conde Enríquez, Arturo
Recibió su título en Ingeniería Mecánica y Eléctrica
de la Universidad Veracruzana, en Veracruz, México,
en 1993, así como la Maestría y el Doctorado en
Ingeniería Eléctrica de la Universidad Autónoma
de Nuevo León, en Nuevo León, México, en 1996
y 2002, respectivamente. Actualmente es profesor
de la Universidad Autónoma de Nuevo León y es
miembro del Sistema Nacional de Investigadores
de México, México.
De la Parra Arciniega, Salomé M.
Es Ingeniero Químico (1990) y Maestra en Ciencias
en Química Inorgánica (2000) por la Universidad
Nacional Autónoma de México. Realizó su Doctorado
en Ciencias con especialidad en Ingeniería Cerámica
en la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad
Autónoma de Nuevo León. Actualmente es profesora
en la misma facultad.
Galina S. Antonova
Ha estado con el Lentonics Group of GE Digital
Energy por 10 años, donde es responsable del diseño
de tarjetas Ethernet para multiplexores JungleMux
SONET/ SDH. En los últimos 4 años, se involucró
en el desarrollo de los estándares IEEE y se hace
miembro Canadiense del IEC TC57 WG10. Galina
recibe su título de Maestría (1993) y el Doctorado
(1997) en Comunicaciones Informáticas del
State University of Telecommunications, en San
Petersburgo, Rusia.
García Gómez, Nora Aleyda
Egresada de la Facultad de Ciencias Químicas de
la UANL como Licenciada en química industrial;
realizo una maestría en biotecnología con opción en
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65
ciencia y biotecnología de enzimas en la Facultad de
Ciencias Químicas, UAdeC, en Saltillo, Coahuila,
se encuentra realizando su Doctorado en Ciencias,
Química de los materiales en la FCQ de la UANL.
García Gutiérrez, Domingo Ixcóatl
Ingeniero Físico Industrial del ITESM campus
Monterrey (2001). Maestría en Ciencias de la
Ingeniería con especialidad en Ciencia e Ingeniería
de los Materiales (2004) y Doctorado en Ciencia e
Ingeniería de los Materiales (2006), ambos por la
Universidad de Texas en Austin. Posteriormente
trabajó en el laboratorio de caracterización de
procesos del consorcio de investigación y desarrollo
de la industria de los semiconductores, SEMATECH,
en Austin, Texas (2006-2010). Actualmente es
profesor-investigador titular A de la FIME-UANL,
miembro del SIN en su nivel 1, cuenta con el
reconocimiento de perfil deseable por parte de
PROMEP.
González Trujillo, Claudia Jaquelina
Obtuvo su doctorado en la Facultad de Psicología
de la Universidad Autónoma de Nuevo León. En
el momento ella imparte cátedra en la Universidad
de Monterrey y está interesada en el modelamiento
cognitivo del esquema moral.
Hedlefs Aguilar, María Isolde
Obtuvo su Licenciatura en la Facultad de Psicología
(2007), Maestría en Ciencias con Opción en
Cognición y Educación (2009) y Doctorado en
Filosofía con Especialidad en Psicología (2011), en la
Facultad de Psicología de la Universidad Autónoma
de Nuevo León. Es profesora de la Facultad de
Ingeniería Mecánica y Eléctrica, miembro del
71
�Colaboradores
Sistema Nacional de Investigadores.
López Pérez, J. Fabián
Ingeniero Administrador de Sistemas desde 1987
por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
de la Universidad Autónoma de Nuevo León.
Maestría en Ingeniería Industrial por el Instituto
Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey;
y con Maestría en Administración de Sistemas de
Manufactura en APICS, EUA en 1991. Doctorado en
Administración por la Facultad de Contaduría Pública
y Administración del Programa de Doctorado en
Filosofía con especialidad en Administración,
UANL en 2004. Es miembro del Sistema Nacional
de Investigadores.
López Ramírez, Ernesto Octavio
Obtuvo su doctorado en la University of WisconsinMadison, en el área de la cognición humana. Es
Miembro del Sistema Nacional de Investigadores
(Nivel II), así como profesor e investigador en la
Facultad de Psicología de la Universidad Autónoma
de Nuevo León. Sus intereses de investigación se
relacionan al modelamiento cognitivo de la memoria
humana, redes neurales, psicofísica de la memoria,
tecnología educativa, emoción y aprendizaje.
Morales Martínez, Guadalupe Elizabeth
Obtuvo su doctorado en la Facultad de Psicología de la
Universidad Autónoma de Nuevo León. Es Miembro
del Sistema Nacional de Investigadores (Nivel I),
así como profesor e investigador en la Facultad de
Psicología de la Universidad Autónoma de Nuevo
León. Sus intereses de investigación se relacionan
al modelamiento cognitivo de la emoción humana,
redes neurales, tecnología educativa, emoción y el
estudio de los déficits del reconocimiento facial
emocional en el Síndrome de Down.
Reyes Gasga, José
Obtuvo la licenciatura en Física (1983) y la Maestría
en Física de Materiales (1986) de la Facultad
de Ciencias, UNAM. Obtuvo el doctorado en
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Ciencia de Materiales del CISECE en 1988. Fue
Vicepresidente (1995-1997) y de Presidente (19971999) de la Asociación Mexicana de Microscopía, y
ha formado parte del la Mesa Directiva de la Sociedad
Mexicana de Cristalografía, la Academia Mexicana
de Materiales y del Comité Interamericano de
Sociedades de Microscopía Electrónica (CIASEM).
Su reciente aportación científica la ha hecho en el
tema de la cristalografía del esmalte dental humano.
Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores,
nivel III.
Ríos Mercado, Roger Z.
Licenciado en Matemáticas de la UANL. Doctor y
Maestro en Ciencias en Investigación de Operaciones
e Ingeniería Industrial de la Universidad de Texas
en Austin. Actualmente es Profesor Titular de la
FIME-UANL. Es miembro del SNI Nivel II, de
la Academia Mexicana de Ciencias y del Cuerpo
Académico consolidado de Ingeniería de Sistemas.
Más información en: < http://yalma.fime.uanl.
mx/~roger/ >.
Sánchez Cervantes, Eduardo M.
Licenciado en Ciencias Químicas por el ITESM
y Doctor en Ciencias Químicas con orientación
en Química del Estado Sólido por la Universidad
Estatal de Arizona (USA). Actualmente es Profesor
de Tiempo Completo de la Facultad de Ciencias
Químicas de la UANL y obtuvo el premio de
Investigación UANL-Ingeniería en 2007 y el
premio de Investigación UANL-Ciencias Exactas
en 2007, 2008 y 2011. Es miembro de la Academia
Mexicana de Ciencias y del Sistema Nacional de
Investigadores, Nivel I.
Yen Shih, Meng
Recibió su título en Ingeniería Mecánica del Instituto
Tecnológico de Chetumal (ITCH) en el 2010, y cursa
actualmente la Maestría en Ingeniería Eléctrica. Su
enfoque de investigación es sobre la protección de
sistemas de poder.
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65
�Información para colaboradores
Se invita a profesionistas, profesores e investigadores
a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de
divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los
aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes
de investigación.
El envío de artículos a la revista Ingenierías para su
publicación implica el ceder los derechos de autor a la
UANL.
Es requisito que las colaboraciones sean producto del
trabajo directo de los autores estableciendo claramente su
contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro,
didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán
estar redactadas en primera persona.
Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje
de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable.
Los criterios aplicables a la selección de textos serán:
originalidad, rigor científico, precisión de la información, el
interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje.
Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo.
CRITERIOS EDITORIALES
Los autores de artículos de revisión o divulgación
deberán contar con una producción directa reconocida en la
temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer
una panorámica del campo temático, separar las dimensiones
del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una
conclusión que derive del material presentado.
No se aceptan reportes que muestren solamente
mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de
las mediciones acompañados de su análisis detallado, un
desarrollo metodológico original, una manipulación nueva
de la materia o ser de gran impacto y novedad social.
Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean
validados científicamente dentro del propio trabajo. No
se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión
o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen
mediciones y se efectúe un análisis de correlación
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65
para su validación. No se aceptan protocolos de
investigación, proyectos, propuestas o trabajos de
carácter especulativo.
Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse
al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos.
LINEAMIENTOS EDITORIALES
Es requisito enviar para su consideración editorial:
artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor
con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico
.doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección:
revistaingenierias@gmail.com
El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres.
El número máximo de autores por artículo es cinco. La
extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas
tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía
Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo.
Los artículos deben incluir un resumen tanto en
español como en inglés, de no más de 100 palabras, así
como un máximo de 5 palabras clave tanto en español
como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en
el orden citado en el texto.
Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los
siguientes datos: Autores o editores, título del artículo,
nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial,
año de publicación, volumen y número de páginas.
Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por
página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm
en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar
incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos
individuales en formato .tif, .eps o .jpg
CONTACTO
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
de la Universidad Autónoma de Nuevo León,
Edificio 7, 1er. piso, ala norte.
Tel.: 8329-4000 Ext. 5854
Fax: 8332-0904
E-mail: revistaingenierias@gmail.com
73
�Código de ética
Autores
Los autores deben presentar una narración concisa y
exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión
objetiva de su significado intelectual y científico.
Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos
manuscritos que se encuentren en consideración por otras
publicaciones.
Los autores deben incluir en su manuscrito detalles
suficientes y referencias a fuentes de información
públicas para hacer posible la reproducción del trabajo
por terceros.
Los autores deben abstenerse de presentar críticas
personales en sus trabajos.
Los autores deben citar aquellas publicaciones que son
antecedentes esenciales para comprender el trabajo.
Los autores deben reconocer mediante una nota de
agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos
que hayan contribuido significativamente al desarrollo del
trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido
de manera importante, pero sin que hayan llegado a
cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera.
Los autores deben reconocer mediante una nota de
agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos
que hayan contribuido de manera importante, pero sin
que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los
hubiera, señalando la fecha de su muerte.
Los autores deben abstenerse de utilizar nombres
ficticios o seudónimos.
Los autores deben responsabilizarse del material que
presentan en su manuscrito.
Los autores deben abstenerse de incluir información
que hayan obtenido mediante comunicación privada que
no se localice en publicaciones.
Revisores
Los autores deben abstenerse de incluir información
obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales
como documentación para concursos o solicitudes de
becas.
Los revisores deben manifestar al editor cualquier
conflicto de intereses que detecten.
Los autores deben abstenerse de incluir información
que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso
explícito correspondiente.
Los autores deben abstenerse de citar publicaciones
que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente
con la materia.
Los autores deben abstenerse de incluir como autores
a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el
cual consiste en la contribución significativa al desarrollo
y preparación del trabajo.
Los autores deben incluir a los coautores fallecidos
que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la
fecha de su muerte.
74
Los revisores deben declinar cualquier invitación para
evaluar un manuscrito si no se consideran calificados,
carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún
conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados
estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar.
Los revisores deben considerar un manuscrito enviado
para revisión como un documento confidencial.
Los revisores deben abstenerse de expresar críticas
personales.
Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de
manera suficiente para que el editor, los miembros de
cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento
de las observaciones.
Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir
información, argumentos o interpretaciones no publicadas
contenidas en un manuscrito bajo consideración,
Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65
�excepto con el consentimiento expreso de los autores
posteriormente al proceso de evaluación.
Los revisores deben considerar en su revisión posibles
errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante
de otros.
Los revisores deben informar al editor si encontraran
alguna semejanza substancial entre el manuscrito y
cualquier otro trabajo.
Los revisores no deberán intentar contactar a los
autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a
haber emitido su fallo.
Editor
El editor debe dar consideración justa e imparcial
a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación,
juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos,
sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen
étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor.
El editor debe considerar un manuscrito enviado para
revisión como un documento confidencial.
El editor debe abstenerse de expresar crítica
personal.
El editor debe explicar y apoyar su juicio final
para que los autores comprendan el fundamento de las
observaciones.
El editor debe abstenerse de utilizar la información
no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados
en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con
el permiso del autor.
El editor deben abstenerse de desplegar información
sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a
ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite
consejo profesional.
El editor debe respetar la independencia intelectual
de los autores.
El editor debe procesar los manuscritos con
diligencia.
El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad
para aceptar o rechazar un artículo enviado para su
publicación.
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El editor debe delegar en los miembros del consejo
editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o
rechazar un artículo enviado para su publicación en casos
en que se presente conflicto de interés con el editor.
El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad
editorial a alguno de los miembros de los consejos
editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito
que se somete a consideración de la revista.
Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y
Comité Técnico)
Los miembros del cuerpo editorial deberán estar
dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones
requeridas.
Los miembros del cuerpo editorial deben declinar
cualquier invitación para brindar consejo si se les
presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse
vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a
evaluar.
Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al
editor cualquier conflicto de intereses que detecten.
Los miembros del cuerpo editorial deben considerar
un manuscrito enviado para revisión como un documento
confidencial.
Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse
de expresar críticas personales.
Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y
apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor,
los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan
el fundamento de las observaciones.
Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse
de utilizar la información no publicada, argumentos o
interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido,
excepto cuando se cuente con el permiso del autor.
Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse
de desplegar información sobre un manuscrito en proceso
de revisión o publicación a cualquier persona fuera de
aquellos que se les solicite consejo profesional.
Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar
la independencia intelectual de los autores.
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Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65
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Title
A name given to the resource
Ingenierías
Description
An account of the resource
Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería.
Text
A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text.
Título Uniforme
Ingenierías
Año de publicación
El año cuando se publico
2014
Año
Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación.
17
Número
Número de la revista
65
Mes de publicación
Mes cuando se publicó
Octubre-Diciembre
Día
Día del mes de la publicación
1
Periodicidad
La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual)
Trimestral
Relación OPAC
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Dublin Core
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Title
A name given to the resource
Ingenierías, 2014, Año 17, No 65, Octubre-Diciembre
Creator
An entity primarily responsible for making the resource
González Treviño, José Antonio, Director
Subject
The topic of the resource
Ciencia
Tecnología
Ingeniería
Investigación
Publicaciones periódicas
Description
An account of the resource
Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería.
Publisher
An entity responsible for making the resource available
Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Contributor
An entity responsible for making contributions to the resource
Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor
Ocañas Galván, Cyntia, Redacción
Date
A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource
01/10/2014
Type
The nature or genre of the resource
Revista
Format
The file format, physical medium, or dimensions of the resource
tex/pdf
Identifier
An unambiguous reference to the resource within a given context
2020828
Source
A related resource from which the described resource is derived
Fondo Universitario
Language
A language of the resource
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Relation
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Spatial Coverage
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San Nicolás de los Garza, N.L., (México)
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Universidad Autónoma de Nuevo León
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