published_or_final_version / Electrical and Electronic Engineering / Doctoral / Doctor of Philosophy

La compétitivité des entreprises manufacturières dépend fortement de la productivité des machines etdes moyens de production. Pour garantir un haut niveau de productivité il est indispensable de minimiser lestemps d'arrêt dus aux fautes ou dysfonctionnements. Cela nécessite des méthodes efficaces pour détecter et isolerles fautes apparues dans un système (FDI). Dans cette thèse, une méthode FDI à base de modèles est proposée.La méthode est conçue pour la classe des systèmes à événements discrets industriels composés d’une bouclefermée du contrôleur et du processus. En comparant les comportements observés et attendus par le modèle, il estpossible de détecter et d’isoler des fautes. A la différence de la plupart des approches FDI des systèmes àévénements discrets, une méthode basée sur des modèles du comportement normal au lieu de modèles descomportements fautifs est proposée. Inspiré par le concept des résidus bien connu pour le diagnostic dessystèmes continus, une nouvelle approche pour l’isolation des fautes dans les systèmes à événements discrets aété développée. La clé pour l’application des méthodes FDI basées sur des modèles est d’avoir un modèle justedu système considéré. Comme une modélisation manuelle peut être très laborieuse et coûteuse pour dessystèmes à l’échelle industrielle, une approche d’identification pour les systèmes à événements discrets enboucle fermée est développée. Basée sur un algorithme connu pour l’identification des modèles monolithiques,une adaptation distribuée est proposée. Elle permet de traiter de grands systèmes comportant un haut degré deparallélisme. La base de cette approche est une décomposition du système en sous systèmes. Cettedécomposition est automatisée en utilisant un algorithme d’optimisation analysant le comportement observé dusystème. Les méthodes conçues dans cette thèse ont été mises en oeuvre sur une étude de cas et sur uneapplication d’échelle industrielle. / The competitiveness of manufacturing companies strongly depends on the productivity of machinesand production processes. To guarantee a high level of productivity, downtimes occurring due to faults have tobe kept as short as possible. This necessitates efficient fault detection and isolation (FDI) methods. In this work,a model-based FDI method for the widely used class of industrial closed-loop Discrete Event Systems isproposed. The considered systems consist of the closed-loop of plant and controller. Based on the comparison ofobserved and modeled system behavior, it is possible to detect and to isolate faults. Unlike most known methodsfor FDI in Discrete Event Systems, this work proposes working with a model of the fault-free behavior ratherthan working fault models. Inspired by the concept of residuals known from FDI in continuous systems, a newapproach for fault isolation based on fault-free Discrete Event System models is developed. The key of anymodel-based diagnosis method is to have an accurate model of the considered system. Since manual modelbuildingcan be very difficult for large industrial systems, an identification approach for this class of systems isintroduced. Based on an already existing monolithic identification algorithm, a distributed adaptation isdeveloped which allows treating large, concurrent systems. The key of the proposed approach is an automaticdecomposition of a given closed-loop Discrete Event System using an optimization approach which analyzesobserved system behavior. The methods developed in this thesis are applied to a mid-sized laboratory system andto an industrial winder to show their scalability.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de algoritmos para determinação da estimativa da distância de ocorrência de falta em uma linha de transmissão de alta tensão, em relação a um terminal local, e também a classificação do tipo de falta, utilizando técnicas baseadas em redes neurais artificiais. Os testes e a validação dos algoritmos propostos são feitos a partir de dados simulados para os fasores de tensão e corrente, em regime permanente, com uso da linguagem MATLAB. Os fasores são obtidos com uso de cálculo tradicional de curto e parâmetros reais de uma linha de transmissão conhecida. Em casos reais os fasores seriam obtidos de amostras de tensões e correntes detectadas por dispositivos de proteção localizados nos terminais local e remoto da linha de transmissão em análise. As simulações das redes neurais para a classificação do tipo de falta e para a obtenção da estimativa da distância de falta foram feitas com duas rotinas escritas em MATLAB levando em consideração erros de medição dos fasores. Os resultados obtidos permitem avaliar a eficiência e a precisão dos algoritmos propostos em relação aos já existentes e conhecidos na literatura, e que usam somente equacionamento elétrico. / This work presents the development of algorithms for determination of the estimate of the distance of occurrence of fault in a high voltage transmission line, in relation to a local terminal, and also the classification of the fault type, using techniques based on artificial neural networks. The tests and the validation of the proposed algorithms are made using simulated data for the voltage and current phasors, in steady state, with use of the MATLAB language. The phasors are obtained with use of traditional calculation of short-circuit and real parameters of a known transmission line. In real cases the phasors would be obtained with samples of voltages and currents detected by protection devices located in the local and remote terminals of the transmission line in analysis. The simulations of the neural networks for the classification of the fault type and for the obtaining the estimate of the fault distance were done with two routines written in MATLAB taking into account measurement errors of the phasors. The obtained results allow to evaluate the efficiency and the accuracy of the proposed algorithms in relation to the already existent and known in the literature, and that use only electric equations.

by Chi-kwong Fong. / Thesis (M.Sc.)--Chinese University of Hong Kong, 1993. / Includes bibliographical references (leaves 30-[31]). / Chapter 1 --- Introduction --- p.1 / Chapter 2 --- Data Capture Subsystem --- p.7 / Chapter 3 --- Anomaly Detection Subsystem --- p.10 / Chapter 4 --- Descriptive Language Translation System --- p.14 / Chapter 5 --- Rule-based Analysis Subsystem --- p.20 / Chapter 6 --- Testing Results --- p.22 / Chapter 7 --- Summary --- p.27 / Bibliography --- p.30

Este documento apresenta uma metodologia analítica adaptativa para localização de faltas baseada na estimativa da impedância para sistemas de distribuição ativos. A metodologia proposta combina a informação fornecida por dispositivos eletrônicos inteligentes alocados na subestação principal e nos terminais de cada unidade de Recurso Energético Distribuído (do inglês Distributed Energy Resources - DER), o conhecimento da topologia da rede e os seus parâmetros para estimar a localização da falta. A característica adaptativa é dada pelo uso de modelos elétricos lineares para considerar o efeito das DER conectadas à rede, quando a informação fornecida pelos Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (do inglês Intelligent Electronic Devices - IED) não é disponível. Adicionalmente, uma estratégia baseada na técnica Ladder é desenvolvida para estimar a contribuição de corrente desde as DER até o ponto de falta. Esta estratégia permite considerar vários geradores conectados e seus diferentes modos de operação. A metodologia proposta foi validada com o sistema IEEE 34 barras. Este sistema foi modelado no Alternative Transients Program (ATP) e modificado pela inserção de várias unidades DER. A metodologia proposta foi validada em vários cenários. Estes cenários avaliam o efeito da distância até a falta, resistência da falta, incerteza na carga, nível de penetração de DER, número de geradores conectados e erros nas medidas ou na estimação dos parâmetros das DER quando seus modelos forem utilizados. Para estas considerações, o desempenho da formulação proposta é satisfatório, apresentando erros menores do que 3%. / This document presents an adaptive analytical impedance-based fault location methodology for active distribution systems. The proposal combines information provided by Intelligent Electronic Devices (IEDs) located in the substation, each Distributed Energy Resources units terminal, the knowledge of the network topology as well as its parameters to estimate the fault location. Its adaptive feature is given by the use of linear analytical equivalent models to consider of DER effect in case the information provided by a local IED is not available. Additionally, a ladder-based technique is proposed to estimate the current contribution from of DER to the fault point. This process allows considering several DER connected and their different operation modes. The proposed methodology is validated on the IEEE 34-node test feeder. This system is modeled on ATP/EMTP and modified with the insertion of several DER units. The methodology is validated by considering several scenarios. These scenarios evaluate the effect of fault distance, fault resistance, load variation, DER penetration level, numbers of DERs connected and errors in the DER parameters. For these considerations, the proposed methodology performance is satisfactory, presenting fault location errors below 3%.

Este trabalho tem como objetivo estudar e propor métodos de teste funcional visando a detecção e localização de falhas na infra-estrutura das redes-em-chip. Para isso, o trabalho apresenta, inicialmente, uma descrição das principais características das redes-em-chip, explicando o que elas são e para que elas servem. Em seguida são apresentados conceitos de teste de circuitos integrados, bem como trabalhos relacionados ao teste das redes-em-chip. Um método de teste visando a detecção de falhas nas interconexões de dados de uma NoC é apresentado no trabalho, sendo este método posteriormente estendido para incluir as interconexões de controle. Os circuitos de teste necessários para implementar a estratégia de teste proposta também são descritos. A partir do método de teste apresentado, é feito um estudo sobre sua capacidade de localização de falhas, onde alterações visando o aumento dessa capacidade de localização de falhas são propostas. Por fim o método de teste é estendido para detecção de falhas nos roteadores da rede. / The purpose of this work is to study and propose functional test methods that aim the detection and location of faults in the NoC’s infrastructure. In order to do so, this work presents, initially, a description of the main characteristics of networks-on-chip, explaining what are NoCs and what is their purpose. Fallowing this description, some concepts related to the test of integrated circuits are presented as well as related works on NoC testing. A method aiming the detection of data interconnect faults in a NoC is presented in this work. This method is later extended to include faults in the control interconnections as well. The circuits used to implement the proposed strategy are also described here. Based on the proposed test strategy, the method’s capability to locate faults is studied. Changes are proposed to the test method in order to increase this fault location capability. Finally, the test method is extended to include faults inside the router’s logic.

by Arion Ko Kin Wa. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 1997. / Includes bibliographical references (leaves 101-[106]). / Chapter 1 --- Introduction --- p.1 / Chapter 1.1 --- Overview --- p.1 / Chapter 1.2 --- Service Survivability Planning --- p.2 / Chapter 1.3 --- Categories of Outages --- p.3 / Chapter 1.4 --- Goals of Restoration --- p.4 / Chapter 1.5 --- Technology Impacts on Network Survivability --- p.5 / Chapter 1.6 --- Performance Models and Measures in Quantifying Network Sur- vivability --- p.6 / Chapter 1.7 --- Organization of Thesis --- p.6 / Chapter 2 --- Design and Implementation of A Survivable High-Speed Mul- timedia Network --- p.8 / Chapter 2.1 --- An Overview of CUM LAUDE NET --- p.8 / Chapter 2.2 --- The Network Architecture --- p.9 / Chapter 2.2.1 --- Architectural Overview --- p.9 / Chapter 2.2.2 --- Router-Node Design --- p.11 / Chapter 2.2.3 --- Buffer Allocation --- p.12 / Chapter 2.2.4 --- Buffer Transmission Priority --- p.14 / Chapter 2.2.5 --- Congestion Control --- p.15 / Chapter 2.3 --- Protocols --- p.16 / Chapter 2.3.1 --- Design Overview --- p.16 / Chapter 2.3.2 --- ACTA - The MAC Protocol --- p.17 / Chapter 2.3.3 --- Protocol Layering --- p.18 / Chapter 2.3.4 --- "Segment, Datagram and Packet Format" --- p.20 / Chapter 2.3.5 --- Fast Packet Routing --- p.22 / Chapter 2.3.6 --- Local Host NIU --- p.24 / Chapter 2.4 --- The Network Restoration Strategy --- p.25 / Chapter 2.4.1 --- The Dual-Ring Model and Assumptions --- p.26 / Chapter 2.4.2 --- Scenarios of Network Failure and Remedies --- p.26 / Chapter 2.4.3 --- Distributed Fault-Tolerant Algorithm --- p.26 / Chapter 2.4.4 --- Distributed Auto-Healing Algorithm --- p.28 / Chapter 2.4.5 --- The Network Management Signals --- p.31 / Chapter 2.5 --- Performance Evaluation --- p.32 / Chapter 2.5.1 --- Restoration Time --- p.32 / Chapter 2.5.2 --- Reliability Measures --- p.34 / Chapter 2.5.3 --- Network Availability During Restoration --- p.41 / Chapter 2.6 --- The Prototype --- p.42 / Chapter 2.7 --- Technical Problems Encountered --- p.45 / Chapter 2.8 --- Chapter Summary and Future Development --- p.46 / Chapter 3 --- A Simple Experimental Network Management Software - NET- MAN --- p.48 / Chapter 3.1 --- Introduction to NETMAN --- p.48 / Chapter 3.2 --- Network Management Basics --- p.49 / Chapter 3.2.1 --- The Level of Management Protocols --- p.49 / Chapter 3.2.2 --- Architecture Model --- p.51 / Chapter 3.2.3 --- TCP/IP Network Management Protocol Architecture --- p.53 / Chapter 3.2.4 --- A Standard Network Management Protocol On Internet - SNMP --- p.54 / Chapter 3.2.5 --- A Standard For Managed Information --- p.55 / Chapter 3.3 --- The CUM LAUDE Network Management Protocol Suite (CNMPS) --- p.56 / Chapter 3.3.1 --- The Architecture --- p.53 / Chapter 3.3.2 --- Goals of the CNMPS --- p.59 / Chapter 3.4 --- Highlights of NETMAN --- p.61 / Chapter 3.5 --- Functional Descriptions of NETMAN --- p.63 / Chapter 3.5.1 --- Topology Menu --- p.64 / Chapter 3.5.2 --- Fault Manager Menu --- p.65 / Chapter 3.5.3 --- Performance Meter Menu --- p.65 / Chapter 3.5.4 --- Gateway Utility Menu --- p.67 / Chapter 3.5.5 --- Tools Menu --- p.67 / Chapter 3.5.6 --- Help Menu --- p.68 / Chapter 3.6 --- Chapter Summary --- p.68 / Chapter 4 --- A Local Map Based (LMB) Self-Healing Scheme for Arbitrary Topology Networks --- p.70 / Chapter 4.1 --- Introduction --- p.79 / Chapter 4.2 --- An Overview of Existing DCS-Based Restoration Algorithms --- p.72 / Chapter 4.3 --- The Network Model and Assumptions --- p.74 / Chapter 4.4 --- Basics of the LMB Scheme --- p.75 / Chapter 4.4.1 --- Restoration Concepts --- p.75 / Chapter 4.4.2 --- Terminology --- p.76 / Chapter 4.4.3 --- Algorithm Parameters --- p.77 / Chapter 4.5 --- Performance Assessments --- p.78 / Chapter 4.6 --- The LMB Network Restoration Scheme --- p.80 / Chapter 4.6.1 --- Initialization - Local Map Building --- p.80 / Chapter 4.6.2 --- The LMB Restoration Messages Set --- p.81 / Chapter 4.6.3 --- Phase I - Local Map Update Phase --- p.81 / Chapter 4.6.4 --- Phase II - Update Acknowledgment Phase --- p.82 / Chapter 4.6.5 --- Phase III - Restoration and Confirmation Phase --- p.83 / Chapter 4.6.6 --- Phase IV - Cancellation Phase --- p.83 / Chapter 4.6.7 --- Re-Initialization --- p.84 / Chapter 4.6.8 --- Path Route Monitoring --- p.84 / Chapter 4.7 --- Performance Evaluation --- p.84 / Chapter 4.7.1 --- The Testbeds --- p.84 / Chapter 4.7.2 --- Simulation Results --- p.86 / Chapter 4.7.3 --- Storage Requirements --- p.89 / Chapter 4.8 --- The LMB Scheme on ATM and SONET environment --- p.92 / Chapter 4.9 --- Future Work --- p.94 / Chapter 4.10 --- Chapter Summary --- p.94 / Chapter 5 --- Conclusion and Future Work --- p.96 / Chapter 5.1 --- Conclusion --- p.95 / Chapter 5.2 --- Future Work --- p.99 / Bibliography --- p.101 / Chapter A --- Derivation of Communicative Probability --- p.107 / Chapter B --- List of Publications --- p.110

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de algoritmos para determinação da estimativa da distância de ocorrência de falta em uma linha de transmissão de alta tensão, em relação a um terminal local, e também a classificação do tipo de falta, utilizando técnicas baseadas em redes neurais artificiais. Os testes e a validação dos algoritmos propostos são feitos a partir de dados simulados para os fasores de tensão e corrente, em regime permanente, com uso da linguagem MATLAB. Os fasores são obtidos com uso de cálculo tradicional de curto e parâmetros reais de uma linha de transmissão conhecida. Em casos reais os fasores seriam obtidos de amostras de tensões e correntes detectadas por dispositivos de proteção localizados nos terminais local e remoto da linha de transmissão em análise. As simulações das redes neurais para a classificação do tipo de falta e para a obtenção da estimativa da distância de falta foram feitas com duas rotinas escritas em MATLAB levando em consideração erros de medição dos fasores. Os resultados obtidos permitem avaliar a eficiência e a precisão dos algoritmos propostos em relação aos já existentes e conhecidos na literatura, e que usam somente equacionamento elétrico. / This work presents the development of algorithms for determination of the estimate of the distance of occurrence of fault in a high voltage transmission line, in relation to a local terminal, and also the classification of the fault type, using techniques based on artificial neural networks. The tests and the validation of the proposed algorithms are made using simulated data for the voltage and current phasors, in steady state, with use of the MATLAB language. The phasors are obtained with use of traditional calculation of short-circuit and real parameters of a known transmission line. In real cases the phasors would be obtained with samples of voltages and currents detected by protection devices located in the local and remote terminals of the transmission line in analysis. The simulations of the neural networks for the classification of the fault type and for the obtaining the estimate of the fault distance were done with two routines written in MATLAB taking into account measurement errors of the phasors. The obtained results allow to evaluate the efficiency and the accuracy of the proposed algorithms in relation to the already existent and known in the literature, and that use only electric equations.

Os Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica (SDEE) estão constantemente expostos à ocorrência de faltas, o que torna de primordial importância para as concessionárias que estas sejam localizadas com rapidez e precisão. Com isso, a degradação da confiabilidade do sistema e as perdas econômicas são minimizadas. Com este intuito, diversas pesquisas vêm sendo conduzidas nas últimas décadas tendo em vista o desenvolvimento de métodos computacionais para Localização de Faltas (LF) em SDEE. Embora as técnicas disponíveis atualmente sejam capazes de estimar a distância das faltas com relativa exatidão, algumas características intrínsecas aos SDEE ainda impõem limitações à LF em alimentadores radiais. Em geral, o aspecto econômico requer o uso de dados provenientes de um único terminal de medição. Ainda, a quantidade significativa de ramais laterais tipicamente presentes nos SDEE faz com que o problema das múltiplas estimativas da LF seja considerado como a principal limitação à efetividade das técnicas existentes na atualidade. Neste contexto, este trabalho apresenta uma metodologia baseada na análise dos transitórios de alta frequência gerados pelas faltas, a qual é capaz de fornecer uma estimativa única para a LF em SDEE ramificados a partir de medições somente no terminal local. O ramal em falta e a distância da falta em relação ao terminal de medição são determinados através da comparação entre as frequências características identificadas no espectro do transitório, e as frequências teóricas calculadas para os possíveis caminhos de propagação. Uma das principais contribuições deste trabalho consiste na formulação de um modelo detalhado das linhas de distribuição desequilibradas. A formulação proposta é baseada na modificação nas equações de Carson, considerando a dependência da frequência e a inclusão dos efeitos pelicular e da corrente de retorno pela terra para altas frequências. Como resultado, esta abordagem permite uma maior exatidão na determinação dos parâmetros modais que descrevem a propagação de transitórios em SDEE desequilibrados, eliminando as aproximações adotadas pela maioria das técnicas propostas na literatura atual. A técnica proposta foi avaliada considerando simulações de faltas nos alimentadores IEEE 13 e 34 barras através do ATP/EMTP. Os resultados apresentados incluem diversos cenários de faltas, bem como a comparação com um método de LF para SDEE considerado estado da arte atualmente. / Electric power distribution systems (EPDS) are continuously exposed to faults, therefore fast and accurate fault location is of paramount importance for utilities. Thus, degradation of system reliability and economic losses are minimized. In this sense, several studies have been conducted in the last decades aiming to the development of computational methods for Fault Localization (FL) in EPDS. Although the currently available techniques are able to estimate fault distance with relative accuracy, some intrinsic characteristics of EPDS still impose limitations to FL in radial feeders. In general, the economic aspect requires use of data from one-terminal measurements. Also, typical EPDS have a large number of branches, which makes the problem of multiple FL estimates the main limitation to the effectiveness of the existing techniques. In this context, this work presents a methodology based on the analysis of the high frequency transient generated by faults, which is able to provide a unique FL estimate in branched EPDS by using only one-terminal measurements. The faulted branch and the fault distance from the measurement terminal are determined by correlating the characteristic frequencies identified in the transient spectrum and theoretical frequencies calculated for the possible propagation paths. One of the main contributions of this work is the formulation of a detailed model of unbalanced distribution lines. The proposed formulation is based on the modification of Carson’s equations, considering frequency dependence and inclusion of skin effects and the ground current return at high frequencies. As a result, this approach allows a greater accuracy in determining the modal parameters that describe the transients’ propagation in unbalanced EPDS, thus eliminating the approximations adopted by most of the techniques proposed in the current literature. The proposed technique was evaluated considering fault simulations in the IEEE 13 and 34 nodes feeders through the ATP/EMTP. Results presented include several fault scenarios as well as the comparison with a FL method for SDEE currently considered as the state of the art.

Os afundamentos de tensão são distúrbios que afetam grandemente a qualidade da energia fornecida aos consumidores, se mostrando especialmente danosos para os consumidores industriais que dependem de tensões em níveis adequados para a continuidade de seus processos de fabricação. O desempenho das redes elétricas frente aos afundamentos de tensão é usualmente mensurado através de indicadores, que dentre outros propósitos, fornecem as informações necessárias ao planejamento de ações voltadas à mitigação dos efeitos dos afundamentos de tensão causados por faltas. Em geral, as regiões da rede vulneráveis a este tipo de distúrbio são identificadas através de medições em pontos de interesse ao longo da rede. No entanto, esta abordagem se mostra restritiva, pois abrange áreas pontuais e intervalos de tempo pouco representativos. Neste contexto, o presente trabalho propõe uma metodologia para estimar os indicadores de afundamentos de tensão, utilizando medições em um único terminal da rede. A técnica é baseada na determinação da localização das faltas para estimar as magnitudes dos afundamentos em todos os nós da rede. Estas informações são utilizadas para caracterizar o desempenho dos sistemas de distribuição em relação aos afundamentos de tensão que ocorrem em um dado período de estudo. A validação da metodologia foi efetuada a partir de simulações de faltas nos sistemas testes IEEE 13 nós e 34 nós. Os testes incluem a análise da sensibilidade da técnica frente a variações no carregamento da rede, considerando diversos cenários de faltas. / Voltage sags are disturbances that greatly affect the power quality supplied to customers and are especially damaging to industrial customers which rely on adequate voltage levels for the continuity of manufacturing processes. Electrical networks’ performance against voltage sags is usually measured by indices that among other purposes, provide the necessary information for planning actions aiming to mitigate the effects of voltage sags caused by faults. In general, areas vulnerable to this type of disturbance are identified by measurements at points of interest along the network. However, this approach is restrictive, since it covers punctual areas and reduced time intervals. In this context, this work proposes a methodology for estimating voltage sags indices using measurements at a single terminal. The technique is based on the fault location to estimate the magnitudes of voltage sags in all network nodes. This information is used to evaluate the performance of distribution systems in relation to the occurrence of voltage sags in a given period of study. The method’s validation was performed by fault simulations in the IEEE 13 node and 34 node test systems. The tests include a sensitivity analysis considering load variation and several fault scenarios.