Centralized filtering and smoothing algorithms from outputs with random parameter matrices transmitted through uncertain communication channels

The least-squares linear centralized estimation problem is addressed for discrete-time signals from measured outputs whose disturbances are modeled by random parameter matrices and correlated noises. These measurements, coming from different sensors, are sent to a processing center to obtain the estimators and, due to random transmission failures, some of the data packet processed for the estimation may either contain only noise (uncertain observations), be delayed (sensor delays) or even be definitely lost (packet dropouts). Different sequences of Bernoulli random variables with known probabilities are employed to describe the multiple random transmission uncertainties of the different sensors. Using the last observation that successfully arrived when a packet is lost, the optimal linear centralized fusion estimators, including filter, multi-step predictors and fixed-point smoothers, are obtained via an innovation approach; this approach is a general and useful tool to find easily implementable recursive algorithms for the optimal linear estimators under the least-squares optimality criterion. The proposed algorithms are obtained without requiring the evolution model of the signal process, but using only the first and second-order moments of the processes involved in the measurement model.This research is supported by Ministerio de Economía, Industria y Competitividad, Agencia Estatal de Investigaciónand Fondo Europeo de Desarrollo Regional FEDER (grant no. MTM2017-84199-P)

Networked Fusion Filtering from Outputs with Stochastic Uncertainties and Correlated Random Transmission Delays

This paper is concerned with the distributed and centralized fusion filtering problems in sensor networked systems with random one-step delays in transmissions. The delays are described by Bernoulli variables correlated at consecutive sampling times, with different characteristics at each sensor. The measured outputs are subject to uncertainties modeled by random parameter matrices, thus providing a unified framework to describe a wide variety of network-induced phenomena; moreover, the additive noises are assumed to be one-step autocorrelated and cross-correlated. Under these conditions, without requiring the knowledge of the signal evolution model, but using only the first and second order moments of the processes involved in the observation model, recursive algorithms for the optimal linear distributed and centralized filters under the least-squares criterion are derived by an innovation approach. Firstly, local estimators based on the measurements received from each sensor are obtained and, after that, the distributed fusion filter is generated as the least-squares matrix-weighted linear combination of the local estimators. Also, a recursive algorithm for the optimal linear centralized filter is proposed. In order to compare the estimators performance, recursive formulas for the error covariance matrices are derived in all the algorithms. The effects of the delays in the filters accuracy are analyzed in a numerical example which also illustrates how some usual network-induced uncertainties can be dealt with using the current observation model described by random matrices

Distributed Estimation Using Partial Knowledge about Correlated Estimation Errors

Sensornetzwerke werden in vielen verschiedenen Anwendungen, z. B. zur Überwachung des Flugraumes oder zur Lokalisierung in Innenräumen eingesetzt. Dabei werden Sensoren häufig räumlich verteilt, um eine möglichst gute Abdeckung des zu beobachtenden Prozesses zu ermöglichen. Sowohl der Prozess als auch die Sensormessungen unterliegen stochastischem Rauschen. Daher wird oftmals eine Zustandsschätzung, z. B. durch ein Kalmanfilter durchgeführt, welcher die Unsicherheiten aus dem Prozess- und Messmodel systematisch berücksichtigt. Die Kooperation der individuellen Sensorknoten erlaubt eine verbesserte Schätzung des Systemzustandes des beobachteten Prozesses. Durch die lokale Verarbeitung der Sensordaten direkt in den Sensorknoten können Sensornetzwerke flexibel und modular entworfen werden und skalieren auch bei steigender Anzahl der Einzelkomponenten gut. Zusätzlich werden Sensornetzwerke dadurch robuster, da die Funktionsfähigkeit des Systems nicht von einem einzigen zentralen Knoten abhängt, der alle Sensordaten sammelt und verarbeitet. Ein Nachteil der verteilten Schätzung ist jedoch die Entstehung von korrelierten Schätzfehlern durch die lokale Verarbeitung in den Filtern. Diese Korrelationen müssen systematisch berücksichtigt werden, um genau und zuverlässig den Systemzustand zu schätzen. Dabei muss oftmals ein Kompromiss zwischen Schätzgenauigkeit und den begrenzt verfügbaren Ressourcen wie Bandbreite, Speicher und Energie gefunden werden. Eine zusätzliche Herausforderung sind unterschiedliche Netzwerktopologien sowie die Heterogenität lokaler Informationen und Filter, welche das Nachvollziehen der individuellen Verarbeitungsschritte innerhalb der Sensorknoten und der korrelierten Schätzfehler erschweren. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Fusion von Zustandsschätzungen verteilter Sensorknoten. Speziell wird betrachtet, wie korrelierte Schätzfehler entweder vollständig oder teilweise gelernt werden können, um eine präzisere und weniger unsichere fusionierte Zustandsschätzung zu erhalten. Um Wissen über korrelierte Schätzfehler zu erhalten, werden in dieser Arbeit sowohl analytische als auch simulations-basierte Ansätze verfolgt. Eine analytische Berechnung der Korrelationen zwischen Zustandsschätzungen ist möglich, wenn alle Verarbeitungsschritte und Parameter der lokalen Filter bekannt sind. Dadurch kann z. B. ein zentraler Fusionsknoten die die Korrelation zwischen den Schätzfehlern rekonstruieren. Dieses zentralisierte Vorgehen ist jedoch oft sehr aufwendig und benötigt entweder eine hohe Kommunikationsrate oder Vorwissen über die lokale Verarbeitungsschritte und Filterparameter. Daher wurden in den letzten Jahren zunehmend dezentrale Methoden zur Rekonstruktion von Korrelationen zwischen Zustandsschätzungen erforscht. In dieser Arbeit werden Methoden zur dezentralen Nachverfolgung und Rekonstruktion von korrelierten Schätzfehlern diskutiert und weiterentwickelt. Dabei basiert der erste Ansatz auf der Verwendung deterministischer Samples und der zweite auf der Wurzelzerlegung korrelierter Rauschkovarianzen. Um die Verwendbarkeit dieser Methoden zu steigern, werden mehrere wichtige Erweiterungen erarbeitet. Zum Einen schätzen verteilte Sensorknoten häufig den Zustand desselben Systems. Jedoch unterscheiden sie sich in ihrer lokalen Berechnung, indem sie unterschiedliche Zustandsraummodelle nutzen. Ein Beitrag dieser Arbeit ist daher die Verallgemeinerung dezentraler Methoden zur Nachverfolgung in unterschiedlichen (heterogenen) Zustandsräumen gleicher oder geringerer Dimension, die durch lineare Transformationen entstehen. Des Weiteren ist die Rekonstruktion begrenzt auf Systeme mit einem einzigen zentralen Fusionsknoten. Allerdings stellt die Abhängigkeit des Sensornetzwerkes von einem solchen zentralen Knoten einen Schwachpunkt dar, der im Fehlerfall zum vollständigen Ausfall des Netzes führen kann. Zudem verfügen viele Sensornetzwerke über komplexe und variierende Netzwerktopologien ohne zentralen Fusionsknoten. Daher ist eine weitere wichtige Errungenschaft dieser Dissertation die Erweiterung der Methodik auf die Rekonstruktion korrelierter Schätzfehler unabhängig von der genutzten Netzwerkstruktur. Ein Nachteil der erarbeiteten Algorithmen sind die wachsenden Anforderungen an Speicherung, Verarbeitung und Kommunikation der zusätzlichen Informationen, welche für die vollständige Rekonstruktion notwendig sind. Um diesen Mehraufwand zu begrenzen, wird ein Ansatz zur teilweisen Rekonstruktion korrelierter Schätzfehler erarbeitet. Das resultierende partielle Wissen über korrelierte Schätzfehler benötigt eine konservative Abschätzung der Unsicherheit, um genaue und zuverlässige Zustandsschätzungen zu erhalten. Es gibt jedoch Fälle, in denen keine Rekonstruktion der Korrelationen möglich ist oder es eine Menge an möglichen Korrelationen gibt. Dies ist zum Einen der Fall, wenn mehrere Systemmodelle möglich sind. Dies führt dann zu einer Menge möglicher korrelierter Schätzfehler, beispielsweise wenn die Anzahl der lokalen Verarbeitungsschritte bis zur Fusion ungewiss ist. Auf der anderen Seite ist eine Rekonstruktion auch nicht möglich, wenn die Systemparameter nicht bekannt sind oder die Rekonstruktion aufgrund von begrenzter Rechenleistung nicht ausgeführt werden kann. In diesem Fall kann ein Simulationsansatz verwendet werden, um die Korrelationen zu schätzen. In dieser Arbeit werden Ansätze zur Schätzung von Korrelationen zwischen Schätzfehlern basierend auf der Simulation des gesamten Systems erarbeitet. Des Weiteren werden Ansätze zur vollständigen und teilweisen Rekonstruktion einer Menge korrelierter Schätzfehler für mehrere mögliche Systemkonfigurationen entwickelt. Diese Mengen an Korrelationen benötigen entsprechende Berücksichtigung bei der Fusion der Zustandsschätzungen. Daher werden mehrere Ansätze zur konservativen Fusion analysiert und angewendet. Zuletzt wird ein Verfahren basierend auf Gaußmischdichten weiterentwickelt, dass die direkte Verwendung von Mengen an Korrelationen ermöglicht. Die in dieser Dissertation erforschten Methoden bieten sowohl Nutzern als auch Herstellern von verteilten Schätzsystemen einen Baukasten an möglichen Lösungen zur systematischen Behandlung von korrelierten Schätzfehlern. Abhängig von der Art und den Umfang des Wissens über Korrelationen, der Kommunikationsbandbreite sowie der gewünschten Qualität der fusionierten Schätzung kann eine Methode passgenau aus den beschriebenen Methoden zusammengesetzt und angewendet werden. Die somit geschlossene Lücke in der Literatur eröffnet neue Möglichkeiten für verteilte Sensorsysteme in verschiedenen Anwendungsgebieten

Integration of conventional and unconventional Instrument Transformers in Smart Grids

In this thesis the reader will be guided towards the role of Instrument Transformers inside the always evolving Smart Grid scenario. In particular, even non-experts or non-metrologists will have the chance to follow the main concepts presented; this, because the basic principles are always presented before moving to in-deep discussions. The chapter including the results of the work is preceded by three introductive chapters. These, contain the basic principles and the state of the art necessary to provide the reader the tools to approach the results chapter. The first three chapters describe: Instrument Transformers, Standards, and Metrology. In the first chapter, the studied Instrument Transformers are described and compared with particular attention to their accuracy parameters. In the second chapter instead, two fundamental international documents, concerning Instrument Transformers, are analysed: the IEC 61869 series and the EN 50160. This has been done to be completely aware of how transformers are standardized and regulated. Finally, the last introductive chapter presents one of the pillars of this work: metrology and the role of uncertainty. In the core of the work Instrument Transformers integration in Smart Grid is distinguished in two main topics. The first assesses the transformers behaviour, in terms of accuracy, when their normal operation is affected by external quantities. The second exploits the current and voltage measurements obtained from the transformers to develop new algorithm and techniques to face typical and new issue affecting Smart Grids. In the overall, this thesis has a bifold aim. On one hand it provides a quite-detailed overview on Instrument Transformers technology and state of the art. On the other hand, it describes issues and novelties concerning the use of the transformers among Smart Grids, focusing on the role of uncertainty when their measurements are used for common and critical applications