On Deep Machine Learning Based Techniques for Electric Power Systems

This thesis provides deep machine learning-based solutions to real-time mitigation of power quality disturbances such as flicker, voltage dips, frequency deviations, harmonics, and interharmonics using active power filters (APF). In an APF the processing delays reduce the performance when the disturbance to be mitigated is tima varying. The the delays originate from software (response time delay) and hardware (reaction time delay). To reduce the response time delays of APFs, this thesis propose and investigate several different techniques. First a technique based on multiple synchronous reference frame (MSRF) and order-optimized exponential smoothing (ES) to decrease the settling time delay of lowpass filtering steps. To reduce the computational time, this method is implemented in a parallel processing using a graphics processing unit (GPU) to estimate the time-varying harmonics and interharmonics of currents. Furthermore, the MSRF and three machine learning-based solutions are developed to predict future values of voltage and current in electric power systems which can mitigate the effects of the response and reaction time delays of the APFs. In the first and second solutions, a Butterworth filter is used to lowpass filter the\ua0 dq\ua0 components, and linear prediction and long short-term memory (LSTM) are used to predict the filtered\ua0 dq\ua0 components. The third solution is an end-to-end ML-based method developed based on a combination of convolutional neural networks (CNN) and LSTM. The Simulink implementation of the proposed ML-based APF is carried out to compensate for the current waveform harmonics, voltage dips, and flicker in Simulink environment embedded AI computing system Jetson TX2.\ua0In another study, we propose Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG), a reinforcement learning (RL) method to replace the controller loops and estimation blocks such as PID, MSRF, and lowpass filters in grid-forming inverters. In a conventional approach it is well recognized that the controller tuning in the differen loops are difficult as the tuning of one loop influence the performance in other parts due to interdependencies.In DDPG the control policy is derived by optimizing a reward function which measure the performance in a data-driven fashion based on extensive experiments of the inverter in a simulation environment.\ua0Compared to a PID-based control architecture, the DDPG derived control policy leads to a solution where the response and reaction time delays are decreased by a factor of five in the investigated example.\ua0Classification of voltage dips originating from cable faults is another topic addressed in this thesis work. The Root Mean Square (RMS) of the voltage dips is proposed as preprocessing step to ease the feature learning for the developed\ua0 LSTM based classifier. Once a cable faults occur, it need to be located and repaired/replaced in order to restore the grid operation. Due to the high importance of stability in the power generation of renewable energy sources, we aim to locate high impedance cable faults in DC microgrid clusters which is a challenging case among different types of faults. The developed Support Vector Machine (SVM) algorithm process the maximum amplitude and\ua0 di/dt\ua0 of the current waveform of the fault as features, and the localization task is carried out with\ua0 95 %\ua0 accuracy.\ua0Two ML-based solutions together with a two-step feature engineering method are proposed to classify Partial Discharges (PD) originating from pulse width modulation (PWM) excitation in high voltage power electronic devices. As a first step, maximum amplitude, time of occurrence, area under PD curve, and time distance of each PD are extracted as features of interest. The extracted features are concatenated to form patterns for the ML algorithms as a second step. The suggested feature classification using the proposed ML algorithms resulted in\ua0 95.5 %\ua0 and\ua0 98.3 %\ua0\ua0 accuracy on a test data set using ensemble bagged decision trees and LSTM networks

Sag effects on protection system in distributed generation grids

Distributed Generators (DGs) are sensible to voltage sags, so the protection devices must trip fast to disconnect the faulted part of the grid. The DG disconnection will not be desirable in the near future with a large penetration, so it will be necessary to lay down new requirements that should be based on avoiding unnecessary disconnections. Therefore, to prevent unnecessary tripping when inverter-based DGs are connected to the Medium Voltage (MV) grid, reliable and effective protection strategies need to be developed, considering the limited short-circuit current contribution of DG. The initial goal of this study is to employ different possible control strategies for a grid-connected inverter according to the Spanish grid code and to analyze the output voltage behavior during symmetrical and unsymmetrical voltage sags. The analytical development of the proposed strategies shows the impacts of the sag on currents, voltages, active and reactive powers. Another goal of this research is to propose a protection strategy based on Artificial Intelligence for a radial or ring distribution system with high DG penetration. The protection strategy is based on three different algorithms to develop a more secure, redundant, and reliable protection system to ensure supply continuity during disturbances in ring and radial grids without compromising system stability. In order to classify, locate and distinguish between permanent or transient faults, new protection algorithms based on artificial intelligence are proposed in this research, allowing network availability improvement disconnecting only the faulted part of the system. This research introduces the innovative use of directional relay based on a communication system and Artificial Neural Network (ANN). The first algorithm, Centralize algorithm (CE), collects the data from all the PDs in the grid in the centralized controller. This algorithm detects the power flow direction and calculates the positive-sequence current of all the PDs in the grid. Significant benefits of this system are that it consolidates the entire systems security into a single device, which can facilitate system security control. However, the CE will not pinpoint the exact location of the fault if there is any loss of information due to poor communication. Therefore, the systems redundancy can be improved by cooperating with a second algorithm, the Zone algorithm (ZO). ZO algorithm is based on zone control using peer-to-peer connectivity in the same line. The faulty line in that zone may be identified by combining the two PDs data on the same line. The most relevant advantage of this algorithm is its flexibility to adapt to any grid modification or disturbance, even if they are just temporary, unlike the CE, which is fixed to the existing grid configuration. The third protection algorithm, Local algorithm (LO), has been proposed without depending on the communication between the PDs; then, the protection system can work properly in case of a total loss of communication. Each PD should be able to detect if the fault is located in the protected line or another line by using only the local information of the PD. According to the type of fault and based on local measurements at each PD of abc voltages and currents, different algorithms will be applied depending on the calculation of the sequence components. The main advantage of this algorithm is the separate decision of each PD, and avoiding communication problems. In case of radial grids, both mechanical breakers and Solid State Relays (SSRs) are used to verify the protection strategies, and in the case of ring grids, mechanical breakers are used, due to the limitations in required voltage difference of SSR. The proposed protection algorithms are compared with conventional protections (Overcurrent and Differential) protections to validate the contribution of the proposed algorithms, especially in reconfigurable smart grids.El objetivo inicial de este estudio es emplear diferentes estrategias de control posibles para un inversor conectado a la red segun el código de red español y analizar el comportamiento de la tensión de salida durante caídas de tensión simétricas y asimétricas. El desarrollo analítico de las estrategias propuestas muestra los impactos de los huecos de tensión en las corrientes, tensiones, potencias activas y reactivas. Otro objetivo de esta investigación es proponer una estrategia de protecclón basada en lnteligencia Artificial para una red del Sistema de Distribución, radial o en anillo, con elevada penetración de Generación Distribuida. La estrategia de protección se basa en tres algoritmos diferentes para desarrollar un sistema de protección más seguro, redundante, y fiable, que asegure la continuidad de suministro durante perturbaciones en redes radiales o en anillo sin comprometer la estabilidad del sistema. Para clasificar, localizar y distinguir entre faltas permanentes o transitorias, se proponen en este trabajo nuevos algoritmos de protección basados en inteligencia artificial, permitiendo la mejora de la disponibilidad de la red, al desconectar sólo la parte del sistema en falta. Esta investigación introduce la innovación del uso del rele direccional basado en un sistema de comunicación y Redes Neuronales Artificiales (ANN). El primer algoritmo, Algoritmo Central (CE), recibe los datos de todos los PDs de la red en un control central. Este algoritmo detecta la dirección de flujo de cargas y calcula la corriente de secuencia positiva de todos los PDs de la red. El entrenamiento de ANNs incluye variaciones en la corriente de cortocircuito y la dirección del flujo de potencia en cada PD. Los beneficios mas significativos de este sistema son que concentra la seguridad total del sistema en un único dispositivo, lo que puede facilitar el control de la seguridad del sistema. Sin embargo, el CE no determinara con precisión la localización exacta de la falta si hay alguna perdida de información debida a una pobre comunicación. Por lo tanto, la redundancia del sistema se puede mejorar cooperando con un segundo algoritmo, el algoritmo de Zona (ZO). El algoritmo ZO se basa en un control de zona usando la conectividad entre dispositivos de protección de una misma línea. La línea en falta en esa zona puede identificarse combinando los datos de los dos PDs de la misma línea.. La ventaja mas relevante de este algoritmo es su flexibilidad para adaptarse a cualquier modificación de la red o perturbación, incluso si sólo son temporales, a diferencia del CE, que se ha adaptado para la configuración de la red existente. El tercer algoritmo de protección, algoritmo Local (LO), ha sido propuesto sin dependencia de la comunicación entre PDs; por lo tanto, el sistema de protección puede operar correctamente en el caso de una pérdida total de comunicación. Cada PD debe poder detectar si la falta esta ubicada en la línea protegida o en otra línea, utilizando sóIo la información local del PD. Según el tipo de falta, y en base a medidas locales en cada PD, de tensiones y corrientes abc, se aplican diferentes algoritmos en función del cálculo de las componentes simétricas. La principal ventaja de este algoritmo es la actuación por separado de cada PD, evitando los problemas de comunicación. En el caso de las redes radiales, se utilizan tanto interruptores mecánicos como réles de estado sóIido (SSR) para verificar las estrategias de protección, y en el caso de las redes en anillo se utilizan interruptores mecánicos, debido a las limitaciones de tensión para su conexión. Los algoritmos de protección propuestos se comparan con protecciones convencionales (Sobrecorriente y Diferencial) para validar la contribución de los algoritmos propuestos, especialmente en redes inteligentes reconfigurables.Postprint (published version

A novel assessment of unintentional islanding operations in distribution networks

This thesis aims to investigate an unexpected islanding operation (IO) which has been identified in a real distribution network. The process of recording and processing the data obtained from the field measurements in the distribution network (DN) has been the starting point of this research. It has to be underlined that this IO raised a problem and became a major challenge for the distribution operator. Therefore, the aim of this thesis is twofold; solving a real problem as well as further enhance the current research studies about IOs in DNs. IOs have been object of study during the recent years due to the rapid proliferation of the distributed generation (DG) within the so-called smart grids (SGs). Commonly, the power of these DG resources ranges between hundreds of kW and few MW and are allocated at either low voltage or medium voltage levels. One of the significant issues that these resources are raising is, undoubtedly, the IOs. These situations occur when a portion of the grid operates in parallel with the main grid following a disconnection. Thereby IOs, where the DG is energising the grid after a CB opening, must be identified and tripped in the minimum time possible. Failure to do so, the list of hurdles may include; power quality (PQ) disturbances (e.g., frequency and voltage out of range), a safety hazard for the network personnel or out-of-phase reclosings. That is the reason why the research towards the anti-islanding protection methods has elicited great interest. Fundamentally, the substantial improvement of this thesis lies in the fact that, in this IO, there are no DG resources, but large induction motors. In fact, the grid remains energised after the CB disconnection due to the induction motors (IMs) which transiently, act as generators. The island begins with the CB operation and ends when the CB recloses the circuit to restore the electrical supply. This rapid reclosing operation is widely adopted in DNs to avoid manual operations in self-extinguished faults and typically ranges between 0.5 and 1s. Given the fact that usually IOs are originated in the presence of DG, indeed, this IO is utterly unexpectedly for the DSO. Due to the phenomenon mentioned above, the specific goals of this thesis are described down below: 1. The first goal of this thesis focuses on developing a model suitable for validation purposes. To make a proper model validation, the simulations results obtained with this model will be compared with those obtained from field measurements. Thus, once the model has been validated, a thorough investigation regarding the most influential factors will be carried out. 2. The second goal of this thesis falls within the scope of the PQ. During the IO mentioned above, a new voltage sag topology is observed. Consequently, the efforts will be focused on modelling this new type of sag. 3. The third goal of this thesis emerges from the protective point of view. Once the IO has been defined and characterised, the need for identifying and preventing it becomes the main concern. In such a way, the third pillar of the thesis is targeted at implementing a suitable tool to prevent this particular IO. Besides, this new tool will be compared with the currently available methods for ID developed for scenarios with DG.Aquesta tesi te com a objectiu investigar una operació en illa no intencional, que ha set identificada en una xarxa de distribució real. El procés de registre i processament de les dades obtingudes a partir de les mesures de camp en la xarxa de distribució, ha estat el punt de partida d’aquesta investigació. Cal subratllar que aquesta operació en illa va plantejar un problema i es va convertir en un repte important per l’operador de distribució. Per tant, l'objectiu d'aquesta tesi és doble; resoldre un problema real, així com millorar els estudis de recerca actuals sobre les illes no intencionals en xarxes de distribució elèctrica. El fenomen de les illes dins una xarxa elèctrica, han estat objecte d’estudi durant els darrers anys a causa de la ràpida proliferació de la generació distribuïda. Habitualment, la potència d’aquests recursos distribuïts oscil·la entre centenars de kW i pocs MW i s’assignen a nivells de baixa tensió o mitja tensió. Una de les qüestions importants que plantegen aquests recursos és, sens dubte, les illes. Aquestes situacions es produeixen quan una part de la xarxa elèctrica funciona en paral·lel amb la xarxa principal després d’una desconnexió. Per això, les illes no intencionals es donen quan la generació distribuïda energitza la xarxa després de la obertura d’un interruptor. Principalment, l’objectiu es identificar aquesta situació i desconnectar dites fonts en el mínim temps possible. En el cas de que això no succeeixi, els següents disturbis poden produir-se; pertorbacions de la qualitat de potència (PQ) (per exemple, freqüència i tensió fora del rang), un perill per a la seguretat del personal de la xarxa o bé reconnexions fora de fase. Aquesta és la raó per la qual la investigació vers els mètodes de protecció “anti-islanding” han despertat un gran interès. Essencialment, la millora substancial d’aquesta tesi rau en el fet que, en aquesta illa, no hi ha recursos energètics distribuïts, sinó grans motors d’inducció. Així, la xarxa elèctrica continua energitzada després de la desconnexió del interruptor a causa dels motors d’inducció, que actuen de forma transitòria com a generadors. L’illa comença amb l’obertura del interruptor i finalitza quan aquest tanca el circuit per restablir el subministrament elèctric. Aquesta operació de reconnexió ràpid es freqüent en xarxes de distribució per evitar operacions manuals en faltes temporals i generalment oscil·la entre 0,5 i 1s. Tenint en compte que generalment les illes tenen l'origen en presència de generació distribuïda , realment, la illa elèctrica objecte d’aquesta tesi és inesperada per l’operador de distribució. A causa del fenomen esmentat anteriorment, els objectius específics d'aquesta tesi es descriuen a continuació: 1. El primer objectiu d'aquesta tesi se centra a desenvolupar un model adequat per la validació. Per fer una validació adequada del model, es compararan els resultats de les simulacions obtinguts amb aquest model amb els obtinguts de les mesures de camp. Així, un cop validat el model, es durà a terme una investigació completa sobre els factors més influents. 2. El segon objectiu d'aquesta tesi entra dins de l'àmbit d'aplicació del PQ. Durant l’esmentada illa, s’observa una nova topologia de forat de tensió. En conseqüència, els esforços se centraran en modelar aquest nou tipus de forat. 3. El tercer objectiu d'aquesta tesi s’emmarca en el punt de vista de proteccions. Un cop definida i caracteritzada l’illa, la necessitat d’identificar-la i prevenir-la esdevé la principal preocupació. D’aquesta manera, el tercer pilar de la tesi té com a objectiu la implementació d’una eina adequada per prevenir aquesta particular illa. A més, es compararà aquesta nova eina amb els actuals mètodes utilitzats per a identificar les illes en escenaris amb generació distribuïda

A novel assessment of unintentional islanding operations in distribution networks

This thesis aims to investigate an unexpected islanding operation (IO) which has been identified in a real distribution network. The process of recording and processing the data obtained from the field measurements in the distribution network (DN) has been the starting point of this research. It has to be underlined that this IO raised a problem and became a major challenge for the distribution operator. Therefore, the aim of this thesis is twofold; solving a real problem as well as further enhance the current research studies about IOs in DNs. IOs have been object of study during the recent years due to the rapid proliferation of the distributed generation (DG) within the so-called smart grids (SGs). Commonly, the power of these DG resources ranges between hundreds of kW and few MW and are allocated at either low voltage or medium voltage levels. One of the significant issues that these resources are raising is, undoubtedly, the IOs. These situations occur when a portion of the grid operates in parallel with the main grid following a disconnection. Thereby IOs, where the DG is energising the grid after a CB opening, must be identified and tripped in the minimum time possible. Failure to do so, the list of hurdles may include; power quality (PQ) disturbances (e.g., frequency and voltage out of range), a safety hazard for the network personnel or out-of-phase reclosings. That is the reason why the research towards the anti-islanding protection methods has elicited great interest. Fundamentally, the substantial improvement of this thesis lies in the fact that, in this IO, there are no DG resources, but large induction motors. In fact, the grid remains energised after the CB disconnection due to the induction motors (IMs) which transiently, act as generators. The island begins with the CB operation and ends when the CB recloses the circuit to restore the electrical supply. This rapid reclosing operation is widely adopted in DNs to avoid manual operations in self-extinguished faults and typically ranges between 0.5 and 1s. Given the fact that usually IOs are originated in the presence of DG, indeed, this IO is utterly unexpectedly for the DSO. Due to the phenomenon mentioned above, the specific goals of this thesis are described down below: 1. The first goal of this thesis focuses on developing a model suitable for validation purposes. To make a proper model validation, the simulations results obtained with this model will be compared with those obtained from field measurements. Thus, once the model has been validated, a thorough investigation regarding the most influential factors will be carried out. 2. The second goal of this thesis falls within the scope of the PQ. During the IO mentioned above, a new voltage sag topology is observed. Consequently, the efforts will be focused on modelling this new type of sag. 3. The third goal of this thesis emerges from the protective point of view. Once the IO has been defined and characterised, the need for identifying and preventing it becomes the main concern. In such a way, the third pillar of the thesis is targeted at implementing a suitable tool to prevent this particular IO. Besides, this new tool will be compared with the currently available methods for ID developed for scenarios with DG.Aquesta tesi te com a objectiu investigar una operació en illa no intencional, que ha set identificada en una xarxa de distribució real. El procés de registre i processament de les dades obtingudes a partir de les mesures de camp en la xarxa de distribució, ha estat el punt de partida d’aquesta investigació. Cal subratllar que aquesta operació en illa va plantejar un problema i es va convertir en un repte important per l’operador de distribució. Per tant, l'objectiu d'aquesta tesi és doble; resoldre un problema real, així com millorar els estudis de recerca actuals sobre les illes no intencionals en xarxes de distribució elèctrica. El fenomen de les illes dins una xarxa elèctrica, han estat objecte d’estudi durant els darrers anys a causa de la ràpida proliferació de la generació distribuïda. Habitualment, la potència d’aquests recursos distribuïts oscil·la entre centenars de kW i pocs MW i s’assignen a nivells de baixa tensió o mitja tensió. Una de les qüestions importants que plantegen aquests recursos és, sens dubte, les illes. Aquestes situacions es produeixen quan una part de la xarxa elèctrica funciona en paral·lel amb la xarxa principal després d’una desconnexió. Per això, les illes no intencionals es donen quan la generació distribuïda energitza la xarxa després de la obertura d’un interruptor. Principalment, l’objectiu es identificar aquesta situació i desconnectar dites fonts en el mínim temps possible. En el cas de que això no succeeixi, els següents disturbis poden produir-se; pertorbacions de la qualitat de potència (PQ) (per exemple, freqüència i tensió fora del rang), un perill per a la seguretat del personal de la xarxa o bé reconnexions fora de fase. Aquesta és la raó per la qual la investigació vers els mètodes de protecció “anti-islanding” han despertat un gran interès. Essencialment, la millora substancial d’aquesta tesi rau en el fet que, en aquesta illa, no hi ha recursos energètics distribuïts, sinó grans motors d’inducció. Així, la xarxa elèctrica continua energitzada després de la desconnexió del interruptor a causa dels motors d’inducció, que actuen de forma transitòria com a generadors. L’illa comença amb l’obertura del interruptor i finalitza quan aquest tanca el circuit per restablir el subministrament elèctric. Aquesta operació de reconnexió ràpid es freqüent en xarxes de distribució per evitar operacions manuals en faltes temporals i generalment oscil·la entre 0,5 i 1s. Tenint en compte que generalment les illes tenen l'origen en presència de generació distribuïda , realment, la illa elèctrica objecte d’aquesta tesi és inesperada per l’operador de distribució. A causa del fenomen esmentat anteriorment, els objectius específics d'aquesta tesi es descriuen a continuació: 1. El primer objectiu d'aquesta tesi se centra a desenvolupar un model adequat per la validació. Per fer una validació adequada del model, es compararan els resultats de les simulacions obtinguts amb aquest model amb els obtinguts de les mesures de camp. Així, un cop validat el model, es durà a terme una investigació completa sobre els factors més influents. 2. El segon objectiu d'aquesta tesi entra dins de l'àmbit d'aplicació del PQ. Durant l’esmentada illa, s’observa una nova topologia de forat de tensió. En conseqüència, els esforços se centraran en modelar aquest nou tipus de forat. 3. El tercer objectiu d'aquesta tesi s’emmarca en el punt de vista de proteccions. Un cop definida i caracteritzada l’illa, la necessitat d’identificar-la i prevenir-la esdevé la principal preocupació. D’aquesta manera, el tercer pilar de la tesi té com a objectiu la implementació d’una eina adequada per prevenir aquesta particular illa. A més, es compararà aquesta nova eina amb els actuals mètodes utilitzats per a identificar les illes en escenaris amb generació distribuïda

A novel assessment of unintentional islanding operations in distribution networks

This thesis aims to investigate an unexpected islanding operation (IO) which has been identified in a real distribution network. The process of recording and processing the data obtained from the field measurements in the distribution network (DN) has been the starting point of this research. It has to be underlined that this IO raised a problem and became a major challenge for the distribution operator. Therefore, the aim of this thesis is twofold; solving a real problem as well as further enhance the current research studies about IOs in DNs. IOs have been object of study during the recent years due to the rapid proliferation of the distributed generation (DG) within the so-called smart grids (SGs). Commonly, the power of these DG resources ranges between hundreds of kW and few MW and are allocated at either low voltage or medium voltage levels. One of the significant issues that these resources are raising is, undoubtedly, the IOs. These situations occur when a portion of the grid operates in parallel with the main grid following a disconnection. Thereby IOs, where the DG is energising the grid after a CB opening, must be identified and tripped in the minimum time possible. Failure to do so, the list of hurdles may include; power quality (PQ) disturbances (e.g., frequency and voltage out of range), a safety hazard for the network personnel or out-of-phase reclosings. That is the reason why the research towards the anti-islanding protection methods has elicited great interest. Fundamentally, the substantial improvement of this thesis lies in the fact that, in this IO, there are no DG resources, but large induction motors. In fact, the grid remains energised after the CB disconnection due to the induction motors (IMs) which transiently, act as generators. The island begins with the CB operation and ends when the CB recloses the circuit to restore the electrical supply. This rapid reclosing operation is widely adopted in DNs to avoid manual operations in self-extinguished faults and typically ranges between 0.5 and 1s. Given the fact that usually IOs are originated in the presence of DG, indeed, this IO is utterly unexpectedly for the DSO. Due to the phenomenon mentioned above, the specific goals of this thesis are described down below: 1. The first goal of this thesis focuses on developing a model suitable for validation purposes. To make a proper model validation, the simulations results obtained with this model will be compared with those obtained from field measurements. Thus, once the model has been validated, a thorough investigation regarding the most influential factors will be carried out. 2. The second goal of this thesis falls within the scope of the PQ. During the IO mentioned above, a new voltage sag topology is observed. Consequently, the efforts will be focused on modelling this new type of sag. 3. The third goal of this thesis emerges from the protective point of view. Once the IO has been defined and characterised, the need for identifying and preventing it becomes the main concern. In such a way, the third pillar of the thesis is targeted at implementing a suitable tool to prevent this particular IO. Besides, this new tool will be compared with the currently available methods for ID developed for scenarios with DG.Aquesta tesi te com a objectiu investigar una operació en illa no intencional, que ha set identificada en una xarxa de distribució real. El procés de registre i processament de les dades obtingudes a partir de les mesures de camp en la xarxa de distribució, ha estat el punt de partida d’aquesta investigació. Cal subratllar que aquesta operació en illa va plantejar un problema i es va convertir en un repte important per l’operador de distribució. Per tant, l'objectiu d'aquesta tesi és doble; resoldre un problema real, així com millorar els estudis de recerca actuals sobre les illes no intencionals en xarxes de distribució elèctrica. El fenomen de les illes dins una xarxa elèctrica, han estat objecte d’estudi durant els darrers anys a causa de la ràpida proliferació de la generació distribuïda. Habitualment, la potència d’aquests recursos distribuïts oscil·la entre centenars de kW i pocs MW i s’assignen a nivells de baixa tensió o mitja tensió. Una de les qüestions importants que plantegen aquests recursos és, sens dubte, les illes. Aquestes situacions es produeixen quan una part de la xarxa elèctrica funciona en paral·lel amb la xarxa principal després d’una desconnexió. Per això, les illes no intencionals es donen quan la generació distribuïda energitza la xarxa després de la obertura d’un interruptor. Principalment, l’objectiu es identificar aquesta situació i desconnectar dites fonts en el mínim temps possible. En el cas de que això no succeeixi, els següents disturbis poden produir-se; pertorbacions de la qualitat de potència (PQ) (per exemple, freqüència i tensió fora del rang), un perill per a la seguretat del personal de la xarxa o bé reconnexions fora de fase. Aquesta és la raó per la qual la investigació vers els mètodes de protecció “anti-islanding” han despertat un gran interès. Essencialment, la millora substancial d’aquesta tesi rau en el fet que, en aquesta illa, no hi ha recursos energètics distribuïts, sinó grans motors d’inducció. Així, la xarxa elèctrica continua energitzada després de la desconnexió del interruptor a causa dels motors d’inducció, que actuen de forma transitòria com a generadors. L’illa comença amb l’obertura del interruptor i finalitza quan aquest tanca el circuit per restablir el subministrament elèctric. Aquesta operació de reconnexió ràpid es freqüent en xarxes de distribució per evitar operacions manuals en faltes temporals i generalment oscil·la entre 0,5 i 1s. Tenint en compte que generalment les illes tenen l'origen en presència de generació distribuïda , realment, la illa elèctrica objecte d’aquesta tesi és inesperada per l’operador de distribució. A causa del fenomen esmentat anteriorment, els objectius específics d'aquesta tesi es descriuen a continuació: 1. El primer objectiu d'aquesta tesi se centra a desenvolupar un model adequat per la validació. Per fer una validació adequada del model, es compararan els resultats de les simulacions obtinguts amb aquest model amb els obtinguts de les mesures de camp. Així, un cop validat el model, es durà a terme una investigació completa sobre els factors més influents. 2. El segon objectiu d'aquesta tesi entra dins de l'àmbit d'aplicació del PQ. Durant l’esmentada illa, s’observa una nova topologia de forat de tensió. En conseqüència, els esforços se centraran en modelar aquest nou tipus de forat. 3. El tercer objectiu d'aquesta tesi s’emmarca en el punt de vista de proteccions. Un cop definida i caracteritzada l’illa, la necessitat d’identificar-la i prevenir-la esdevé la principal preocupació. D’aquesta manera, el tercer pilar de la tesi té com a objectiu la implementació d’una eina adequada per prevenir aquesta particular illa. A més, es compararà aquesta nova eina amb els actuals mètodes utilitzats per a identificar les illes en escenaris amb generació distribuïda.Postprint (published version

Detection of faults in a scaled down doubly-fed induction generator using advanced signal processing techniques.

The study ventures into the development of a micro-based doubly fed induction generator (DFIG) test rig for fault studies. The 5kW wound rotor induction machine (WRIM) that was used in the test rig was based on a scaled-down version of a 2.5MW doubly fed induction generator (DFIG). The micromachine has been customized to make provision for implementing stator inter-turn short-circuit faults (ITSCF), rotor ITSCF and static eccentricity (SE) faults in the laboratory environment. The micromachine has been assessed under the healthy and faulty states, both before and after incorporating a converter into the rotor circuit of the machine. In each scenario, the fault signatures have been characterised by analyzing the stator current, rotor current, and the DFIG controller signals using the motor current signature analysis (MCSA) and discrete wavelet transform (DWT) analysis techniques to detect the dominant frequency components which are indicative of these faults. The purpose of the study is to evaluate and identify the most suitable combination of signals and techniques for the detection of each fault under steady-state and transient operating conditions. The analyses of the results presented in this study have indicated that characterizing the fault indicators independent of the converter system ensured clarity in the fault diagnosis process and enabled the development of a systematic fault diagnosis approach that can be applied to a controlled DFIG. It has been demonstrated that the occurrence of the ITSCFs and the SE fault in the micro-WRIM intensifies specific frequency components in the spectral plots of the stator current, rotor current, and the DFIG controller signals, which may then serve as the dominant fault indicators. These dominant components may be used as fault markers for classification and have been used for pattern recognition under the transient condition. In this case, the DWT and spectrogram plots effectively illustrated characteristic patterns of the dominant fault indicators, which were observed to evolve uniquely and more distinguishable in the rotor current signal compared to the stator current signal, before incorporating the converter in the rotor circuit. Therefore, by observing the trends portrayed in the decomposition bands and the spectrogram plots, it is deemed a reliable method of diagnosing and possibly quantifying the intensity of the faults in the machine. Once the power electronic converter was incorporated into the rotor circuit, the DFIG controller signals have been observed to be best suited for diagnosing faults in the micro-DFIG under the steady-state operating condition, as opposed to using the terminal stator or rotor current signals. The study also assessed the impact of undervoltage conditions at the point of common coupling (PCC) on the behaviour of the micro-DFIG. In this investigation, a significant rise in the faulted currents was observed for the undervoltage condition in comparison to the faulty cases under the rated grid voltage conditions. In this regard, it could be detrimental to the operation of the micro-DFIG, particularly the faulted phase windings, and the power electronic converter, should the currents exceed the rated values for extended periods

The application of advanced signal processing techniques to the condition monitoring of electrical machine drive systems

Includes bibliographical references (leaves 128-129).The thesis examines the use of two time-frequency domain signal processing tools in its application to condition monitoring of electrical machine drive systems. The mathematical and signal processing tools which are explored are wavelet analysis and a non-stationary adaptive signal processing algorithm. Four specific applications are identified for the research. These applications were specifically chosen to encapsulate important issues in condition monitoring of variable speed drive systems. The main aim of the project is to highlight the need for fault detection during machine transients and to illustrate the effectiveness of incorporating and adapting these new class of algorithms to detect faults in electrical machine drive systems during non-stationary conditions