With advances in technology and the increasing use of power electronic components in the design of household and industrial equipment, harmonic distortion has become one of the major power quality problems in power systems. Identifying the harmonic sources and quantifying the contributions of these harmonic sources provides utility companies with the information they require to effectively mitigate harmonics in the system. This thesis proposes the use of observers for harmonic estimation and harmonic source identification. An iterative observer algorithm is designed for performing harmonic estimation in measured voltage or current signals taken from a power distribution system. The algorithm is based on previous observer designs for estimating the power system states at the fundamental frequency. Harmonic estimation is only carried out when the total harmonic distortion (THD) exceeds a specified threshold. In addition, estimation can be performed on multiple measurements simultaneously. Simulations are carried out on an IEEE distribution test feeder. A number of scenarios such as changes in harmonic injections with time, variations in fundamental frequency and measurement noise are simulated to verify the validity and robustness of the proposed iterative observer algorithm. Furthermore, an observer-based algorithm is proposed for identifying the harmonic sources in power distribution systems. The observer is developed to estimate the system states for a combination of suspicious nodes and the estimation error is analysed to verify the existence of harmonic sources in the specified node combinations. This method is applied to the identification of both single and multiple harmonic sources. The response of the observer-based algorithm to time varying load parameters and variations in harmonic injections with time is investigated and the results show that the proposed harmonic source identification algorithm is able to adapt to these changes. In addition, the presence of time delay in power distribution system measurements is taken into consideration when identifying harmonic sources. An observer is designed to estimate the system states for the case of a single time delay as well as multiple delays in the measurements. This observer is then incorporated into the observer-based harmonic source identification algorithm to identify harmonic sources in the presence of delayed measurements. Simulation results show that irrespective of the time delay in the measurements, the algorithm accurately identifies the harmonic sources in the power distribution system.

O objetivo de um sistema elétrico de potência é gerar energia elétrica e fornecer continuamente esta energia aos usuários finais dentro de padrões de qualidade aceitáveis. Neste contexto, diferentes aplicações usando algoritmos genéticos (AGs) para resolver problemas relacionados a sistemas elétricos de potência são apresentadas neste trabalho. A estimação de harmônicos, estudos relativos aos relés de freqüência e aplicações da proteção de distância são os assuntos investigados nesta tese. Para análise harmônica foram consideradas freqüências em sistemas de potência de até a vigésima quinta ordem, as quais foram estimadas pelos AGs e comparadas àquelas resultantes da análise quando da aplicação da Transformada Discreta de Fourier (TDF). Com respeito aos relés de freqüência, o objetivo foi estimar a amplitude, freqüência e ângulo de fase para diversas situações de formas de ondas utilizando uma nova estrutura que possa ser implementada dispondo em FPGAs (Field Programmable Gate Array). Finalmente, aplicados à proteção de distância, o principal propósito dos AGs foi identificar os fasores fundamentais da tensão e corrente e, então, calcular a impedância da linha medida pelo relé de distância associado. Cabe ressaltar que estes resultados também foram comparados ao método clássico da TDF. Todas as três abordagens foram formuladas como problemas de otimização, com objetivo de minimizar o erro estimado das variáveis envolvidas. Os resultados dessas aplicações mostram que o desempenho global dos Algoritmos Genéticos foi altamente satisfatório considerando-se as precisões das respostas encontradas. / The aim of electric power systems is to generate electricity and to deliver it continuously to the end-user in an acceptable standard. Therefore, different applications using genetic algorithms (GAs) to solve electric power system problems are presented in this work. Harmonic estimation, frequency relays and distance protection are the subjects investigated in this thesis. Concerning harmonic analysis, the ones up to the 25th order were considered in this work. They were estimated by GAs and compared to results obtained from the Discrete Fourier Transform (DFT) technique. Concerning frequency relays, the main objective was to estimate the amplitude, frequency and phase angle of waveforms using a new structure capable to be implemented in a FPGA (Field Programmable Gate Array). Finally, concerning distance protection, the main purpose was use the GAs to identify the fundamental voltage and current phasors and to calculate the line impedance seen by the distance relay. These results were also compared to those obtained from the classic DFT method. These three problems were formulated as an optimization problem, and the objective was to minimize the estimation error. The results from these applications show that the global performance of the genetic algorithms was highly satisfactory concerning the precision of the responses.

O objetivo de um sistema elétrico de potência é gerar energia elétrica e fornecer continuamente esta energia aos usuários finais dentro de padrões de qualidade aceitáveis. Neste contexto, diferentes aplicações usando algoritmos genéticos (AGs) para resolver problemas relacionados a sistemas elétricos de potência são apresentadas neste trabalho. A estimação de harmônicos, estudos relativos aos relés de freqüência e aplicações da proteção de distância são os assuntos investigados nesta tese. Para análise harmônica foram consideradas freqüências em sistemas de potência de até a vigésima quinta ordem, as quais foram estimadas pelos AGs e comparadas àquelas resultantes da análise quando da aplicação da Transformada Discreta de Fourier (TDF). Com respeito aos relés de freqüência, o objetivo foi estimar a amplitude, freqüência e ângulo de fase para diversas situações de formas de ondas utilizando uma nova estrutura que possa ser implementada dispondo em FPGAs (Field Programmable Gate Array). Finalmente, aplicados à proteção de distância, o principal propósito dos AGs foi identificar os fasores fundamentais da tensão e corrente e, então, calcular a impedância da linha medida pelo relé de distância associado. Cabe ressaltar que estes resultados também foram comparados ao método clássico da TDF. Todas as três abordagens foram formuladas como problemas de otimização, com objetivo de minimizar o erro estimado das variáveis envolvidas. Os resultados dessas aplicações mostram que o desempenho global dos Algoritmos Genéticos foi altamente satisfatório considerando-se as precisões das respostas encontradas. / The aim of electric power systems is to generate electricity and to deliver it continuously to the end-user in an acceptable standard. Therefore, different applications using genetic algorithms (GAs) to solve electric power system problems are presented in this work. Harmonic estimation, frequency relays and distance protection are the subjects investigated in this thesis. Concerning harmonic analysis, the ones up to the 25th order were considered in this work. They were estimated by GAs and compared to results obtained from the Discrete Fourier Transform (DFT) technique. Concerning frequency relays, the main objective was to estimate the amplitude, frequency and phase angle of waveforms using a new structure capable to be implemented in a FPGA (Field Programmable Gate Array). Finally, concerning distance protection, the main purpose was use the GAs to identify the fundamental voltage and current phasors and to calculate the line impedance seen by the distance relay. These results were also compared to those obtained from the classic DFT method. These three problems were formulated as an optimization problem, and the objective was to minimize the estimation error. The results from these applications show that the global performance of the genetic algorithms was highly satisfactory concerning the precision of the responses.

Esta teste de doutorado tem como objetivo o desenvolvimento de um algoritmo de Estimação de Estados de Distorções Harmônicas (EEDH) em Sistemas Elétricos de Potência. Embora o custo dos medidores de qualidade de energia tenha diminuído, ainda é inviável a utilização de medidores para a monitoração de todas as barras de um sistema elétrico real, pois o sistema de monitoração tornar-se-ia demasiadamente oneroso. Sendo assim, torna-se necessária à utilização de algoritmo capaz de estimar, a partir de um pequeno número de pontos de monitoração, os valores das distorções harmônicas em demais pontos do sistema. Para resolver o problema em estudo, propõe-se a utilização de algoritmo de Estratégias Evolutivas. Tal algoritmo se mostra viável por sua facilidade de implementação e sua velocidade em encontrar uma solução dentro de um vasto espaço de soluções. Neste contexto, uma solução para o problema de estimação compreende um indivíduo que pode sofrer mutação e recombinação, sendo este avaliado a cada geração do algoritmo. A avaliação de cada indivíduo esta relacionada à minimização do erro quadrático de estimação de tensões nas barras monitoradas do sistema. Para esta realização são utilizadas as informações das distorções provenientes de medidores, bem como as informações da rede. O fluxo de carga para a freqüência fundamental é realizado e tomado como referência para ajustes de ângulos das distorções harmônicas na ausência de um sistema de sincronização. O algoritmo proposto foi submetido para analisar inicialmente uma rede elétrica hipotética de 4 barras com o intuito de se verificar a capacidade da metodologia. Em seguida uma rede elétrica de 14 barras foi utilizada para configurar os parâmetros do algoritmo de Estratégia Evolutiva. Esta mesma rede foi submetida à análise da estimação da Distorção Harmônica Total. Por fim, com o intuito de explorar as limitações e potencialidades, a metodologia proposta foi aplicada na análise de uma rede de subtransmissão de 50 barras, utilizando modelos por componentes simétricas e por componentes de fase. Os resultados obtidos foram promissores e indicam este ramo de estudos como sendo de grande viabilidade podendo diminuir os custos de um sistema de monitoramento de qualidade de energia elétrica, que se utiliza de EEDH. / The aim of the present thesis is to develop a Harmonic Distortion State Estimation algorithm for Power Systems. Although the cost of Power Quality Meters has decreased for a while now, it is still not practicable the use of one meter for each real system bus. This demands a Harmonic Distortion State Estimation (HDSE) algorithm to find the harmonic components in buses with no measurement. An Evolutionary Strategy algorithm is proposed in this work to solve the harmonic estimation problem. This algorithm shows good results due to its easy implementation and its quickness to find a solution for a complex problem, as the HDSE demands. In this context a solution for the estimation problem is based on a population of individuals that suffer mutation and recombination operations, and are evaluated in each generation. The individual evaluation is related to the minimization of the sum of square deviations of voltage estimation in buses with measurement. Harmonic data from meters and network data are taken as the model inputs. A load flow determines the system state for the fundamental frequency that provides the reference for the angle adjustment for harmonics. The proposed algorithm was first submitted to analyze a small four bus electrical network to verify the viability of this methodology. After this, a 14 bus electrical network was used to configure the evolutionary strategy algorithm parameters and to determine the Total Harmonic Distortion estimation. Finally, in order to understand the limitations and capability of the proposed methodology, a 50 bus subtransmission three-phase network was analyzed by models based on symmetrical components and phase components. The obtained results are very promising and indicate a considerable cost reduction in power quality monitoring systems.

Esta teste de doutorado tem como objetivo o desenvolvimento de um algoritmo de Estimação de Estados de Distorções Harmônicas (EEDH) em Sistemas Elétricos de Potência. Embora o custo dos medidores de qualidade de energia tenha diminuído, ainda é inviável a utilização de medidores para a monitoração de todas as barras de um sistema elétrico real, pois o sistema de monitoração tornar-se-ia demasiadamente oneroso. Sendo assim, torna-se necessária à utilização de algoritmo capaz de estimar, a partir de um pequeno número de pontos de monitoração, os valores das distorções harmônicas em demais pontos do sistema. Para resolver o problema em estudo, propõe-se a utilização de algoritmo de Estratégias Evolutivas. Tal algoritmo se mostra viável por sua facilidade de implementação e sua velocidade em encontrar uma solução dentro de um vasto espaço de soluções. Neste contexto, uma solução para o problema de estimação compreende um indivíduo que pode sofrer mutação e recombinação, sendo este avaliado a cada geração do algoritmo. A avaliação de cada indivíduo esta relacionada à minimização do erro quadrático de estimação de tensões nas barras monitoradas do sistema. Para esta realização são utilizadas as informações das distorções provenientes de medidores, bem como as informações da rede. O fluxo de carga para a freqüência fundamental é realizado e tomado como referência para ajustes de ângulos das distorções harmônicas na ausência de um sistema de sincronização. O algoritmo proposto foi submetido para analisar inicialmente uma rede elétrica hipotética de 4 barras com o intuito de se verificar a capacidade da metodologia. Em seguida uma rede elétrica de 14 barras foi utilizada para configurar os parâmetros do algoritmo de Estratégia Evolutiva. Esta mesma rede foi submetida à análise da estimação da Distorção Harmônica Total. Por fim, com o intuito de explorar as limitações e potencialidades, a metodologia proposta foi aplicada na análise de uma rede de subtransmissão de 50 barras, utilizando modelos por componentes simétricas e por componentes de fase. Os resultados obtidos foram promissores e indicam este ramo de estudos como sendo de grande viabilidade podendo diminuir os custos de um sistema de monitoramento de qualidade de energia elétrica, que se utiliza de EEDH. / The aim of the present thesis is to develop a Harmonic Distortion State Estimation algorithm for Power Systems. Although the cost of Power Quality Meters has decreased for a while now, it is still not practicable the use of one meter for each real system bus. This demands a Harmonic Distortion State Estimation (HDSE) algorithm to find the harmonic components in buses with no measurement. An Evolutionary Strategy algorithm is proposed in this work to solve the harmonic estimation problem. This algorithm shows good results due to its easy implementation and its quickness to find a solution for a complex problem, as the HDSE demands. In this context a solution for the estimation problem is based on a population of individuals that suffer mutation and recombination operations, and are evaluated in each generation. The individual evaluation is related to the minimization of the sum of square deviations of voltage estimation in buses with measurement. Harmonic data from meters and network data are taken as the model inputs. A load flow determines the system state for the fundamental frequency that provides the reference for the angle adjustment for harmonics. The proposed algorithm was first submitted to analyze a small four bus electrical network to verify the viability of this methodology. After this, a 14 bus electrical network was used to configure the evolutionary strategy algorithm parameters and to determine the Total Harmonic Distortion estimation. Finally, in order to understand the limitations and capability of the proposed methodology, a 50 bus subtransmission three-phase network was analyzed by models based on symmetrical components and phase components. The obtained results are very promising and indicate a considerable cost reduction in power quality monitoring systems.

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