Development of an integrated low-power RF partial discharge detector

This paper presents the results from integrating a low-power partial discharge detector with a wireless sensor node designed for operating as part of an IEEE 802.15.4 sensor network, and applying an on-line classifier capable of classifying partial discharges in real-time. Such a system is of benefit to monitoring engineers as it provides a means to exploit the RF technique using a low-cost device while circumventing the need for any additional cabling associated with new condition monitoring systems. The detector uses a frequency-based technique to differentiate between multiple defects, and has been integrated with a SunSPOT wireless sensor node hosting an agent-based monitoring platform, which includes a data capture agent and rule induction agent trained using experimental data. The results of laboratory system verification are discussed, and the requirements for a fully robust and flexible system are outlined

A frequency-based RF partial discharge detector for low-power wireless sensing

Partial discharge (PD) monitoring has been the subject of significant research in recent years, which has given rise to a range of well-established PD detection and measurement techniques, such as acoustic and RF, on which condition monitoring systems for highvoltage equipment have been based. This paper presents a novel approach to partial discharge monitoring by using a low-cost, low-power RF detector. The detector employs a frequency-based technique that can distinguish between multiple partial discharge events and other impulsive noise sources within a substation, tracking defect severity over time and providing information pertaining to plant health. The detector is designed to operate as part of a wireless condition monitoring network, removing the need for additional wiring to be installed into substations whilst still gaining the benefits of the RF technique. This novel approach to PD detection not only provides a low-cost solution to on-line partial discharge monitoring, but also presents a means to deploy wide-scale RF monitoring without the associated costs of wide-band monitoring systems

Using evidence combination for transformer defect diagnosis

This paper describes a number of methods of evidence combination, and their applicability to the domain of transformer defect diagnosis. It explains how evidence combination fits into an on-line and implemented agent-based condition monitoring system, and the benefits of giving selected agents reflective abilities. Reflection has not previously been deployed in an industrial setting, and theoretical work has been in domains other than power engineering. This paper presents the results of implementing five different methods of evidence combination, showing that reflective techniques give greater accuracy than non-reflective

Review of the State-of-the-Art on Adaptive Protection for Microgrids based on Communications

The dominance of distributed energy resources in microgrids and the associated weather dependency require flexible protection. They include devices capable of adapting their protective settings as a reaction to (potential) changes in system state. Communication technologies have a key role in this system since the reactions of the adaptive devices shall be coordinated. This coordination imposes strict requirements: communications must be available and ultra-reliable with bounded latency in the order of milliseconds. This paper reviews the state-of-the-art in the field and provides a thorough analysis of the main related communication technologies and optimization techniques. We also present our perspective on the future of communication deployments in microgrids, indicating the viability of 5G wireless systems and multi-connectivity to enable adaptive protection.Comment: Accepted to IEEE Trans. on Industrial Informatic

Secure Control and Operation of Energy Cyber-Physical Systems Through Intelligent Agents

The operation of the smart grid is expected to be heavily reliant on microprocessor-based control. Thus, there is a strong need for interoperability standards to address the heterogeneous nature of the data in the smart grid. In this research, we analyzed in detail the security threats of the Generic Object Oriented Substation Events (GOOSE) and Sampled Measured Values (SMV) protocol mappings of the IEC 61850 data modeling standard, which is the most widely industry-accepted standard for power system automation and control. We found that there is a strong need for security solutions that are capable of defending the grid against cyber-attacks, minimizing the damage in case a cyber-incident occurs, and restoring services within minimal time. To address these risks, we focused on correlating cyber security algorithms with physical characteristics of the power system by developing intelligent agents that use this knowledge as an important second line of defense in detecting malicious activity. This will complement the cyber security methods, including encryption and authentication. Firstly, we developed a physical-model-checking algorithm, which uses artificial neural networks to identify switching-related attacks on power systems based on load flow characteristics. Secondly, the feasibility of using neural network forecasters to detect spoofed sampled values was investigated. We showed that although such forecasters have high spoofed-data-detection accuracy, they are prone to the accumulation of forecasting error. In this research, we proposed an algorithm to detect the accumulation of the forecasting error based on lightweight statistical indicators. The effectiveness of the proposed algorithms was experimentally verified on the Smart Grid testbed at FIU. The test results showed that the proposed techniques have a minimal detection latency, in the range of microseconds. Also, in this research we developed a network-in-the-loop co-simulation platform that seamlessly integrates the components of the smart grid together, especially since they are governed by different regulations and owned by different entities. Power system simulation software, microcontrollers, and a real communication infrastructure were combined together to provide a cohesive smart grid platform. A data-centric communication scheme was selected to provide an interoperability layer between multi-vendor devices, software packages, and to bridge different protocols together

Agrupamiento jerárquico para la detección de condiciones de tráfico anómalo en subestaciones de energía

The IEC 61850 standard has contributed significantly to the substation management and automation process by incorporating the advantages of communications networks into the operation of power substations. However, this modernization process also involves new challenges in other areas. For example, in the field of security, several academic works have shown that the same attacks used in computer networks (DoS, Sniffing, Tampering, Spoffing among others), can also compromise the operation of a substation. This article evaluates the applicability of hierarchical clustering algorithms and statistical type descriptors (averages), in the identification of anomalous patterns of traffic in communication networks for power substations based on the IEC 61850 standard. The results obtained show that, using a hierarchical algorithm with Euclidean distance proximity criterion and simple link grouping method, a correct classification is achieved in the following operation scenarios: 1) Normal traffic, 2) IED disconnection, 3) Network discovery attack, 4) DoS attack, 5) IED spoofing attack and 6) Failure on the high voltage line. In addition, the descriptors used for the classification proved equally effective with other unsupervised clustering techniques such as K-means (partitional-type clustering), or LAMDA (diffuse-type clustering).El estándar IEC 61850 ha contribuido notablemente con el proceso de gestión y automatización de las subestaciones, al incorporar las ventajas de las redes de comunicaciones en la operación de las subestaciones de energía. Sin embargo, este proceso de modernización también involucra nuevos desafíos en otros campos. Por ejemplo, en el área de la seguridad, diversos trabajos académicos han puesto en evidencia que la operación de una subestación también puede ser comprometida por los mismos ataques utilizados en las redes de cómputo (DoS, Sniffing, Tampering, Spoffing entre otros). Este artículo evalúa la aplicabilidad de los algoritmos de agrupamiento no supervisado de tipo jerárquico y el uso de descriptores de tipo estadístico (promedios), en la identificación de patrones de tráfico anómalo en redes de comunicación para subestaciones eléctricas basadas en el estándar IEC 61850. Los resultados obtenidos demuestran que, utilizando un algoritmo jerárquico con criterio de proximidad distancia Euclidiana y método de agrupación vínculo simple, se logra una correcta clasificación de los siguientes escenarios de operación: 1) Tráfico normal, 2) Desconexión de dispositivo IED, 3) Ataque de descubrimiento de red, 4) Ataque de denegación de servicio, 5) Ataque de suplantación de IED y 6) Falló en la línea de alta tensión. Además, los descriptores utilizados para la clasificación demostraron ser robustos al lograrse idénticos resultados con otras técnicas de agrupamiento no supervisado de tipo particional como K-medias o de tipo difuso como LAMDA (Learning Algorithm Multivariable and Data Analysis)

A novel soft computing approach based on FIR to model and predict energy dynamic systems

Tesi en modalitat compendi de publicacionsWe are facing a global climate crisis that is demanding a change in the status quo of how we produce, distribute and consume energy. In the last decades, this is being redefined through Smart Grids(SG), an intelligent electrical network more observable, controllable, automated, fully integrated with energy services and the end-users. Most of the features and proposed SG scenarios are based on reliable, robust and fast energy predictions. For instance, for proper planning activities, such as generation, purchasing, maintenance and investment; for demand side management, like demand response programs; for energy trading, especially at local level, where productions and consumptions are more stochastics and dynamic; better forecasts also increase grid stability and thus supply security. A large variety of Artificial Intelligence(AI) techniques have been applied in the field of Short-term electricity Load Forecasting(SLF) at consumer level in low-voltage system, showing a better performance than classical techniques. Inaccuracy or failure in the SLF process may be translated not just in a non-optimal (low prediction accuracy) solution but also in frustration of end-users, especially in new services and functionalities that empower citizens. In this regard, some limitations have been observed in energy forecasting models based on AI such as robustness, reliability, accuracy and computation in the edge. This research proposes and develops a new version of Fuzzy Inductive Reasoning(FIR), called Flexible FIR, to model and predict the electricity consumption of an entity in the low-voltage grid with high uncertainties, and information missing, as well as the capacity to be deployed either in the cloud or locally in a new version of Smart Meters(SMs) based on Edge Computing(EC). FIR has been proved to be a powerful approach for model identification and system ’s prediction over dynamic and complex processes in different real world domains but not yet in the energy domain. Thus, the main goal of this thesis is to demonstrate that a new version of FIR, more robust, reliable and accurate can be a referent Soft Computing(SC) methodology to model and predict dynamic systems in the energy domain and that it is scalable to an EC integration. The core developments of Flexible FIR have been an algorithm that can cope with missing information in the input values, as well as learn from instances with Missing Values(MVs) in the knowledge-based, without compromising significantly the accuracy of the predictions. Moreover, Flexible FIR comes with new forecasting strategies that can cope better with loss of causality of a variable and dispersion of output classes than classical k nearest neighbours, making the FIR forecasting process more reliable and robust. Furthermore, Flexible FIR addresses another major challenge modelling with SC techniques, which is to select best model parameters. One of the most important parameters in FIR is the number k of nearest neighbours to be used in the forecast process. The challenge to select the optimal k, dynamically, is addressed through an algorithm, called KOS(K nearest neighbour Optimal Selection), which has been developed and tested also with real world data. It computes a membership aggregation function of all the neighbours with respect their belonging to the output classes.While with KOS the optimal parameter k is found online, with other approaches such as genetic algorithms or reinforcement learning is not, which increases the computational time.Ens trobem davant una crisis climàtica global que exigeix un canvi al status quo de la manera que produïm, distribuïm i consumim energia. En les darreres dècades, està sent redefinit gràcies a les xarxa elèctriques intel·ligents(SG: Smart Grid) amb millor observabilitat, control, automatització, integrades amb nous serveis energètics i usuaris finals. La majoria de les funcionalitats i escenaris de les SG es basen en prediccions de la càrrega elèctrica confiables, robustes i ràpides. Per les prediccions de càrregues elèctriques a curt termini(SLF: Short-term electricity Load Forecasting), a nivell de consumidors al baix voltatge, s’han aplicat una gran varietat de tècniques intel·ligència Artificial(IA) mostrant millor rendiment que tècniques estadístiques tradicionals. Un baix rendiment en SLF, pot traduir-se no només en una solució no-òptima (baixa precisió de predicció) sinó també en la frustració dels usuaris finals, especialment en nous serveis i funcionalitats que empoderarien als ciutadans. En el marc d’aquesta investigació es proposa i desenvolupa una nova versió de la metodologia del Raonament Inductiu Difús(FIR: Fuzzy Inductive Reasoning), anomenat Flexible FIR, capaç de modelar i predir el consum d’electricitat d’una entitat amb un grau d’incertesa molt elevat, inclús amb importants carències d’informació (missing values). A més, Flexible FIR té la capacitat de desplegar-se al núvol, així como localment, en el que podria ser una nova versió de Smart Meters (SM) basada en tecnologia d’Edge Computing (EC). FIR ja ha demostrat ser una metodologia molt potent per la generació de models i prediccions en processos dinàmics en diferents àmbits, però encara no en el de l’energia. Per tant, l’objectiu principal d’aquesta tesis és demostrar que una versió millorada de FIR, més robusta, fiable i precisa pot consolidar-se com una metodologia Soft Computing SC) de referencia per modelar i predir sistemes dinàmics en aplicacions per al sector de l’energia i que és escalable a una integració d’EC. Les principals millores de Flexible FIR han estat, en primer lloc, el desenvolupament i test d’un algorisme capaç de processar els valors d’entrada d’un model FIR tot i que continguin Missing Values (MV). Addicionalment, aquest algorisme també permet aprendre d’instàncies amb MV en la matriu de coneixement d’un model FIR, sense comprometre de manera significativa la precisió de les prediccions. En segon lloc, s’han desenvolupat i testat noves estratègies per a la fase de predicció, comportant-se millor que els clàssics k veïns més propers quan ens trobem amb pèrdua de causalitat d’una variable i dispersió en les classes de sortida, aconseguint un procés d’aprenentatge i predicció més confiable i robust. En tercer lloc, Flexible FIR aborda un repte molt comú en tècniques de SC: l’òptima parametrització del model. En FIR, un dels paràmetres més determinants és el número k de veïns més propers que s’utilitzaran durant la fase de predicció. La selecció del millor valor de k es planteja de manera dinàmica a través de l’algorisme KOS (K nearest neighbour Optimal Selection) que s’ha desenvolupat i testat també amb dades reals. Mentre que amb KOS el paràmetre òptim de k es calcula online, altres enfocaments mitjançant algoritmes genètics o aprenentatge per reforç el càlcul és offline, incrementant significativament el temps de resposta, sent a més a més difícil la implantació en escenaris d’EC. Aquestes millores fan que Flexible FIR es pugui adaptar molt bé en aplicacions d’EC. En aquest sentit es proposa el concepte d’un SM de segona generació basat en EC, que integra Flexible FIR com mòdul de predicció d’electricitat executant-se en el propi dispositiu i un agent EC amb capacitat per el trading d'energia produïda localment. Aquest agent executa un innovador mecanisme basat en incentius, anomenat NRG-X-Change que utilitza una nova moneda digital descentralitzada per l’intercanvi d’energia, que s’anomena NRGcoin.Estamos ante una crisis climática global que exige un cambio del status quo de la manera que producimos, distribuimos y consumimos energía. En las últimas décadas, este status quo está siendo redefinido debido a: la penetración de las energías renovables y la generación distribuida; nuevas tecnologías como baterías y paneles solares con altos rendimientos; y la forma en que se consume la energía, por ejemplo, a través de vehículos eléctricos o con la electrificación de los hogares. Estas palancas requieren una red eléctrica inteligente (SG: Smart Grid) con mayor observabilidad, control, automatización y que esté totalmente integrada con nuevos servicios energéticos, así como con sus usuarios finales. La mayoría de las funcionalidades y escenarios de las redes eléctricas inteligentes se basan en predicciones de la energía confiables, robustas y rápidas. Por ejemplo, para actividades de planificación como la generación, compra, mantenimiento e inversión; para la gestión de la demanda, como los programas de demand response; en el trading de electricidad, especialmente a nivel local, donde las producciones y los consumos son más estocásticos y dinámicos; una mejor predicción eléctrica también aumenta la estabilidad de la red y, por lo tanto, mejora la seguridad. Para las predicciones eléctricas a corto plazo (SLF: Short-term electricity Load Forecasting), a nivel de consumidores en el bajo voltaje, se han aplicado una gran variedad de técnicas de Inteligencia Artificial (IA) mostrando mejor rendimiento que técnicas estadísticas convencionales. Un bajo rendimiento en los modelos predictivos, puede traducirse no solamente en una solución no-óptima (baja precisión de predicción) sino también en frustración de los usuarios finales, especialmente en nuevos servicios y funcionalidades que empoderan a los ciudadanos. En este sentido, se han identificado limitaciones en modelos de predicción de energía basados en IA, como la robustez, fiabilidad, precisión i computación en el borde. En el marco de esta investigación se propone y desarrolla una nueva versión de la metodología de Razonamiento Inductivo Difuso (FIR: Fuzzy Inductive Reasoning), que hemos llamado Flexible FIR, capaz de modelar y predecir el consumo de electricidad de una entidad con altos grados de incertidumbre e incluso con importantes carencias de información (missing values). Además, Flexible FIR tiene la capacidad de desplegarse en la nube, así como localmente, en lo que podría ser una nueva versión de Smart Meters (SM) basada en tecnología de Edge Computing (EC). En el pasado, ya se ha demostrado que FIR es una metodología muy potente para la generación de modelos y predicciones en procesos dinámicos, sin embargo, todavía no ha sido demostrado en el campo de la energía. Por tanto, el objetivo principal de esta tesis es demostrar que una versión mejorada de FIR, más robusta, fiable y precisa puede consolidarse como metodología Soft Computing (SC) de referencia para modelar y predecir sistemas dinámicos en aplicaciones para el sector de la energía y que es escalable hacia una integración de EC. Las principales mejoras en Flexible FIR han sido, en primer lugar, el desarrollo y testeo de un algoritmo capaz de procesar los valores de entrada en un modelo FIR a pesar de que contengan Missing Values (MV). Además, dicho algoritmo también permite aprender de instancias con MV en la matriz de conocimiento de un modelo FIR, sin comprometer de manera significativa la precisión de las predicciones. En segundo lugar, se han desarrollado y testeado nuevas estrategias para la fase de predicción de un modelo FIR, comportándose mejor que los clásicos k vecinos más cercanos ante la pérdida de causalidad de una variable y dispersión de clases de salida, consiguiendo un proceso de aprendizaje y predicción más confiable y robusto. En tercer lugar, Flexible FIR aborda un desafío muy común en técnicas de SC: la óptima parametrización del modelo. En FIR, uno de los parámetros más determinantes es el número k de vecinos más cercanos que se utilizarán en la fase de predicción. La selección del mejor valor de k se plantea de manera dinámica a través del algoritmo KOS (K nearest neighbour Optimal Selection) que se ha desarrollado y probado también con datos reales. Dicho algoritmo calcula una función de membresía agregada, de todos los vecinos, con respecto a su pertenencia a las clases de salida. Mientras que con KOS el parámetro óptimo de k se calcula online, otros enfoques mediante algoritmos genéticos o aprendizaje por refuerzo, el cálculo es offline incrementando significativamente el tiempo de respuesta, siendo además difícil su implantación en escenarios de EC. Estas mejoras hacen que Flexible FIR se adapte muy bien en aplicaciones de EC, en las que la analítica de datos en streaming debe ser fiable, robusta y con un modelo suficientemente ligero para ser ejecutado en un IoT Gateway o dispositivos más pequeños. También, en escenarios con poca conectividad donde el uso de la computación en la nube es limitado y los parámetros del modelo se calculan localmente. Con estas premisas, en esta tesis, se propone el concepto de un SM de segunda generación basado en EC, que integra Flexible FIR como módulo de predicción de electricidad ejecutándose en el dispositivo y un agente EC con capacidad para el trading de energía producida localmente. Dicho agente ejecuta un novedoso mecanismo basado en incentivos, llamado NRG-X-Change que utiliza una nueva moneda digital descentralizada para el intercambio de energía, llamada NRGcoin.Postprint (published version

Immune System Based Control and Intelligent Agent Design for Power System Applications

The National Academy of Engineering has selected the US Electric Power Grid as the supreme engineering achievement of the 20th century. Yet, this same grid is struggling to keep up with the increasing demand for electricity, its quality and cost. A growing recognition of the need to modernize the grid to meet future challenges has found articulation in the vision of a Smart Grid in using new control strategies that are intelligent, distributed, and adaptive. The objective of this work is to develop smart control systems inspired from the biological Human Immune System to better manage the power grid at the both generation and distribution levels. The work is divided into three main sections. In the first section, we addressed the problem of Automatic Generation Control design. The Clonal Selection theory is successfully applied as an optimization technique to obtain decentralized control gains that minimize a performance index based on Area Control Errors. Then the Immune Network theory is used to design adaptive controllers in order to diminish the excess maneuvering of the units and help the control areas comply with the North American Electric Reliability Corporation\u27s standards set to insure good quality of service and equitable mutual assistance by the interconnected energy balancing areas. The second section of this work addresses the design and deployment of Multi Agent Systems on both terrestrial and shipboard power systems self-healing using a novel approach based on the Immune Multi-Agent System (IMAS). The Immune System is viewed as a highly organized and distributed Multi-Cell System that strives to heal the body by working together and communicating to get rid of the pathogens. In this work both simulation and hardware design and deployment of the MAS are addressed. The third section of this work consists in developing a small scale smart circuit by modifying and upgrading the existing Analog Power Simulator to demonstrate the effectiveness of the developed technologies. We showed how to develop smart Agents hardware along with a wireless communication platform and the electronic switches. After putting together the different designed pieces, the resulting Multi Agent System is integrated into the Power Simulator Hardware. The multi Agent System developed is tested for fault isolation, reconfiguration, and restoration problems by simulating a permanent three phase fault on one of the feeder lines. The experimental results show that the Multi Agent System hardware developed performed effectively and in a timely manner which confirms that this technology is very promising and a very good candidate for Smart Grid control applications