Precision Enhancement of Distribution System State Estimation via Tri-Objective Micro Phasor Measurement Unit Deployment

A tri-objective optimal Micro Phasor Measurement Units ({\mu}-PMUs) Placement method is presented, with a focus on minimizing the following three parameters: i) the total number of {\mu}-PMU channels, (ii) the maximum state estimation uncertainty, and (iii) the sensitivity of state estimation to line parameter tolerances. The suggested formulation takes single-line and {\mu}-PMU failures into consideration while guaranteeing the complete observability of the system in the presence and absence of contingencies. It also takes into account the impact of zero injection nodes and the quantity of {\mu}-PMU channels carried out at every node. The suggested placement issue is addressed using a customized version of the nondominated sorting genetic algorithm II (NSGA-II). According to the results achieved utilizing three test systems of varying sizes, {\mu}-PMU channels beyond predetermined thresholds only result in higher costs and negligible further decreases in state estimation uncertainty and sensitivity to line parameter tolerances. Additionally, we may omit to instrument between 30 and 40% of buses if {\mu}-PMUs with only two three-phase channels are utilized, with only a modest negative effect on state estimate performance even in the event of contingencies

The influence of uncertainties and parameter structural dependencies in distribution system state estimation

This paper evaluates a number of uncertain parameters that affect the accuracy of distribution system state estimation, and ranks their importance using an efficient sensitivity analysis technique, Morris screening method. The influence of the uncertain parameters on state estimation performance is analysed globally and zonally. Furthermore the dependence structure between the critical variable and state estimation accuracy is analysed using copula to establish their relationship at different section of the bivariate space. The sensitivity of the critical parameter at different ranges is also studied and ranked using Morris screening methods to present the variation of state estimation performance when the critical variable is allocated at different sections within the feasible range. Accurate assessment of the importance of various uncertain parameters and the analysis of the dependence structure can inform power system operators which parameters will require the greatest levels of mitigation or increased monitoring accuracy in order to have satisfactory performance of distribution system state estimation

Contribuições para a estimação de estado em redes de distribuição

Orientador: Madson Cortes de AlmeidaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: As redes de distribuição de energia têm sido o foco de grande parte dos estudos recentes na área de energia elétrica. Originalmente, as redes de distribuição foram projetadas para transmitir energia em uma única direção, das subestações até os pontos de consumo. Com o aumento da geração distribuída os fluxos de potência se tornam multidirecionais, dificultando a manutenção dos limites operativos de tensões e fluxos de corrente. Para contornar tal situação serão necessários investimentos nas infraestruturas de monitoramento e automação, permitindo uma maior visibilidade e controlabilidade das redes. Neste contexto, os estimadores de estado para sistemas de distribuição terão um papel fundamental pois permitem filtrar os erros inerentes ao processo de medição fornecendo o estado mais provável de operação da rede. Porém, a aplicação direta de estimadores de estado em sistemas de distribuição é limitada pela baixa quantidade de medições, pelo desequilíbrio das cargas, pelos parâmetros assimétricos das linhas, entre outros fatores. Atualmente, alguns estudos sobre metodologias para estimação de estado em redes de distribuição são encontrados na literatura. Entretanto, a implementação prática de tais metodologias depende de uma série de melhorias, tanto nas abordagens existentes quanto na infraestrutura de medição. O principal objetivo deste trabalho é propor um método de estimação de estado em redes trifásicas de distribuição baseado na escolha das correntes nos ramos como variáveis de estado. O método proposto apresenta eficiência computacional, robustez e resultados precisos. O modelo trifásico dos componentes da rede é utilizado, assim como o desbalanço de cargas e a assimetria dos parâmetros da rede são considerados. Nesta proposta é realizado o tratamento apropriado dos diversos tipos de medição, assim como o tratamento de pseudo-medidas e medidas virtuais. Esta tese aborda ainda a importância da especificação da referência angular em estimadores de estado trifásicos, propondo uma metodologia eficiente que corrige problemas de convergência e permite o tratamento adequado dos desbalanços da cargas e das assimetrias da rede. Também é apresentado um método de solução do estimador proposto baseado em substituição de variáveis para tratamento de injeções nulas e formulação por blocos para preservação da esparsidade da matriz de coeficientes. Além disso, o trabalho apresenta um exemplo de aplicação do estimador de estado nos sistemas modernos de distribuição de energia com geradores distribuídos. O monitoramento é baseado em medidores inteligentes e/ou medições fasoriais, considerando uma redundância das medidas característica de sistemas de distribuição de energiaAbstract: In the recent years, substantial research on power energy systems is focused on distribution systems for many reasons. Originally, distribution systems were designed to transport energy in only one direction, i.e., from the primary substation to the points of consumption. However, the upcoming increase in distributed generation causes multi-directional power flows bringing buses voltages and branch currents close to regulatory limits. To tackle these, huge modifications in current control paradigms are expected. In this context, state estimators for electric power distribution systems will play an important role, once that they allow filtering errors of the measurements process to provide the best possible estimate of the system's operation point. The direct application of the state estimation methodologies in distribution systems faces challenges posed by the lack of monitoring, unbalanced loads, and parameters asymmetry. Studies about state estimation in distribution systems have been presented in the literature. However, their practical implementation depends on a series of improvements, as well as infrastructure enhancements. The main objective of this thesis is the proposal of an improved three-phase state estimation method, which is based on the adoption of complex branch currents as state variables. The proposed method is computationally efficient, accurate and robust. It is not only modeled for three-phase systems but also considers general topologies (radial and meshed), the load unbalances, and parameters asymmetry. The various types of measurements available in modern distribution systems are treated, as well as pseudo-measurements and virtual measurements. This thesis addresses the importance of angle reference setting in three-phase state estimators, proposing an efficient methodology with the proper treatment of system's measurements, considering the asymmetry and loads unbalance. It is also presented an alternative solution method for the proposed approach based on the substitution of variables concept, improving the treatment of null injections, and the blocked formulation, allowing the use of voltage measurements with minimal losses in the coefficient matrices sparsity. In addition, this thesis presents an application of state estimators in modern distribution systems with distributed generators and smart meters and/or phasor measurement, considering the lack of measurements in some parts of the systemsDoutoradoEnergia EletricaDoutor em Engenharia Elétrica148195/2012-1CNP