The reliability of protection systems has emerged as an important topic because protection failures have critical influence on the reliability of power systems. The goal of this research is to develop novel approaches for modeling and analysis of the impact of protection system failures on power system reliability. It is shown that repairable and non-repairable assumptions make a remarkable difference in reliability modeling. A typical all-digital protection system architecture is modeled and numerically analyzed. If an all-digital protection system is indeed repairable but is modeled in a non-repairable manner for analysis, the calculated values of reliability indices could be grossly pessimistic. The smart grid is emerging with the penetration of information-age technologies and the development of the Special Protection System (SPS) will be greatly influenced. A conceptual all-digital SPS architecture is proposed for the future smart grid. Calculation of important reliability indices by the network reduction method and the Markov modeling method is illustrated in detail. Two different Markov models are proposed for reliability evaluation of the 2-out-of-3 voting gates structure in a generation rejection scheme. If the model with consideration of both detectable and undetectable logic gate failures is used as a benchmark, the simple model which only considers detectable failures will significantly overestimate the reliability of the 2-out-of-3 voting gates structure. The two types of protection failures, undesired-tripping mode and fail-to-operate mode are discussed. A complete Markov model for current-carrying components is established and its simplified form is then derived. The simplified model can appropriately describe the overall reliability situation of individual components under the circumstances of complex interactions between components due to protection failures. New concepts of the self-down state and the induced-down state are introduced and utilized to build up the composite unit model. Finally, a two-layer Markov model for power systems with protection failures is proposed. It can quantify the impact of protection failures on power system reliability. Using the developed methodology, we can see that the assumption of perfectly reliable protection can introduce errors in reliability evaluation of power systems.

Smart grid aims at improving the efficiency, reliability, security, and quality of service (QoS) of the current electricity grid by exploiting the advances in communication and information technology. In parallel to size of the electricity grid, smart grid communication infrastructure should cover a very large geographical area that may extend from remote generation sites to densely populated residential regions and inside buildings, homes, and electricity-power-system environments. In such an extensive communication network, different communication technologies operating on different communication medium are likely to coexist. Among the communication technologies available, wireless and power line communication (PLC) based solutions are comparatively attractive especially considering cost of the initial investment required for the realization of a communication network with such an immense size. In this dissertation, a detailed investigation of wireless and PLC channel characteristics of the smart grid networks is presented. Among the topics discussed are the time variation characteristics of wireless channels, root-mean-squared (RMS) delay spread and path amplitude statistics of PLC channels, and the impact of impulsive noise on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems.

The research topics presented in this dissertation focus on validation of customer-level voltage synchrophasor data for transmission system analysis, detection and categorization of power system events as measured by phasor measurement units (PMUs), and identification of the influence of power system conditions (wind power, daily and seasonal load variation) on low-frequency oscillations. Synchrophasor data can provide information across entire power systems but obtaining the data, handling the large dataset and developing tools to extract useful information from it is a challenge. To overcome the challenge of obtaining data, an independent synchrophasor network was created by taking synchrophasor measurements at customer-level voltage. The first objective is to determine if synchrophasor data taken at customer-level voltage is an accurate representation of power system behavior. The validation process was started by installing a transmission level (69 kV) PMU. The customer-level voltage measurements were validated by comparison of long term trends and low-frequency oscillations estimates. The techniques best suited for synchrophasor data analysis were identified after a detailed study and comparison. The same techniques were also applied to detect power system events resulting in the creation of novel categories for numerous events based on shared characteristics. The numerical characteristics for each category and the ranges of each numerical characteristic for each event category are identified. The final objective is to identify trends in power system behavior related to wind power and daily and seasonal variations by utilizing signal processing and statistical techniques. / text

This thesis presents novel algorithms and a revised modeling framework to evaluate residential aggregate electrical demand response performance under scenarios with limited device-state feedback. These algorithms permit the provision of balancing reserves, or the smoothing of variable renewable energy generation, via an externally supplied target trajectory. The responsive load populations utilized were home heat pumps and deferred electric vehicle charging. As fewer devices in a responsive population report their state information, the error of the demand response program increases moderately but remains below 8%. The associated error of the demand response program is minimized with responsive load populations of approximately 4500 devices; the available capacity of the demand response system scales proportionally with population size. The results indicate that demand response programs with limited device-state feedback may provide a viable option to reduce overall system costs and address privacy concerns of individuals wishing to participate in a demand response program. / Graduate

Le réseau de distribution et de transport de l’électricité se modernise dans plusieurs pays dont le Canada. La nouvelle génération de ce réseau que l’on appelle smart grid, permet entre autre l’automatisation de la production, de la distribution et de la gestion de la charge chez les clients. D’un autre côté, des appareils domestiques intelligents munis d’une interface de communication pour des applications du smart grid commencent à apparaître sur le marché. Ces appareils intelligents pourraient créer une communauté virtuelle pour optimiser leurs consommations d’une façon distribuée. La gestion distribuée de ces charges intelligentes nécessite la communication entre un grand nombre d’équipements électriques. Ceci représente un défi important à relever surtout si on ne veut pas augmenter le coût de l’infrastructure et de la maintenance. Lors de cette thèse deux systèmes distincts ont été conçus : un système de communication peer-to-peer, appelé Ring-Tree, permettant la communication entre un nombre important de nœuds (jusqu’à de l’ordre de grandeur du million) tel que des appareils électriques communicants et une technique distribuée de gestion de la charge sur le réseau électrique. Le système de communication Ring-Tree inclut une nouvelle topologie réseau qui n’a jamais été définie ou exploitée auparavant. Il inclut également des algorithmes pour la création, l’exploitation et la maintenance de ce réseau. Il est suffisamment simple pour être mis en œuvre sur des contrôleurs associés aux dispositifs tels que des chauffe-eaux, chauffage à accumulation, bornes de recharges électriques, etc. Il n’utilise pas un serveur centralisé (ou très peu, seulement lorsqu’un nœud veut rejoindre le réseau). Il offr une solution distribuée qui peut être mise en œuvre sans déploiement d’une infrastructure autre que les contrôleurs sur les dispositifs visés. Finalement, un temps de réponse de quelques secondes pour atteindre l’ensemble du réseau peut être obtenu, ce qui est suffisant pour les besoins des applications visées. Les protocoles de communication s’appuient sur un protocole de transport qui peut être un de ceux utilisés sur l’Internet comme TCP ou UDP. Pour valider le fonctionnement de de la technique de contrôle distribuée et le système de communication Ring-Tree, un simulateur a été développé; un modèle de chauffe-eau, comme exemple de charge, a été intégré au simulateur. La simulation d’une communauté de chauffe-eaux intelligents a montré que la technique de gestion de la charge combinée avec du stockage d’énergie sous forme thermique permet d’obtenir, sans affecter le confort de l’utilisateur, des profils de consommation variés dont un profil de consommation uniforme qui représente un facteur de charge de 100%.

L'Internet des Objets (IdO) et les Environnements Intelligents (EI) ont attiré beaucoup d'activités de recherche et développement au cours de la dernière décennie. Pourtant, de nombreuses applications IdO/EI d'aujourd'hui sont encore limitées à l'acquisition et au traitement des données de capteurs et de leur contexte, avec un contrôle, le cas échéant, utilisant soit des solutions de base ou demandant l'intervention humaine, loin du contrôle automatique qui est un facteur essentiel de promouvoir ces technologies. Cette thèse vise à apporter le savoir-faire de la théorie du contrôle et des systèmes réactifs dans le domaine IdO/EI pour arriver à une solution avec une méthode formelle pour l'aspect de contrôle qui fait défaut. Nous proposons l'extension d'un canevas logiciel pour une infrastructure générique et partagée IdO/EI qui offre des interfaces de haut niveau pour réduire l'effort de conception, et qui permet l'auto-configuration et l'adaptation des applications de contrôle sur des propriétés génériques de l'environnement sans intervention humaine en utilisant les connaissances générales sur le domaine qui s'appliquent à chaque instance cible de système IdO/EI. Dans cette infrastructure étendue, les entités physiques individuelles (y compris toutes les "choses", appareils électriques et sous-ensembles de l'espace) peuvent être regroupées comme des entités virtuelles par des propriétés communes afin de fournir un niveau d'abstraction plus élevé pour le contrôle et d'autres applications, ainsi qu'une meilleure adaptation aux changements des configurations au niveau inférieur. Sur le requis d'une solution générique et commun dénominateur partagée par toutes les applications de l'IdO/EI dans un environnement donné, nous proposons pour cette infrastructure, de modéliser les entités cibles supervisées et contrôlées, y compris les entités individuelles et de leurs regroupements, ainsi que les choses et les entités spatiales, par des automates à états finis, pour être en mesure d'appliquer la technique de la synthèse des contrôleur discrets (SCD) aux différents niveaux d'abstraction et de granularité. SCD est une méthode formelle qui construit automatiquement un contrôleur, s'il existe, en assurant les objectifs de contrôle exigés concernant le modèle de comportement du système donné en termes d'automates parallèles synchrones. Les langages de programmation BZR et les outils Sigali existants sont utilisés pour effectuer la SCD et de générer un contrôleur de manière automatique. Les modules logiciels nécessaires sont proposés dans l'implémentation tels que le module de maintenance de relation qui garde une association correcte entre les instances d'entités individuelles et les groupes, et répercute des commandes d'action du contrôle de haut niveau aux actionneurs correspondants. Ce module est destiné à évoluer plus tard vers une solution plus générique comme une base de données graphes comprenant à la fois la base de connaissances générales et relations spécifiques d'instance environnement. La résolution des conflits entre les objectifs de contrôle venant de contrôleurs concurrent est également indispensable en raison des objectifs de l'ouverture de la plateforme. Un simulateur de contexte basé sur Java a été développé pour simuler l'environnement de la maison au sein de plusieurs scénarios proposés pour la validation, tels que le contrôle de la charge électrique et l'adaptation au contexte de l'activité. / The Internet of Things (IoT) and Smart Environments (SE) have attracted a lot of research and development activities during the last decade. Yet many present-day IoT/SE applications are still limited to the acquisition and processing of sensor data and its context, with control, if any, using either basic solutions or requiring human intervention, far away from the automatic control which is an essential factor to promote the technologies. This thesis targets to bring knowhow from control theory and reactive systems to the IoT/SE domain to achieve a solution with a formal method for the missing control aspect. We propose the extension of a framework in order to build a shared generic IoT/SE infrastructure offering high-level interfaces to reduce design effort, and enabling the self-configuration and adaptation of control applications over generic properties of the environment without human interaction by using general knowledge over the domain that applies to each target instance of IoT/SE system. In this extended framework, individual physical entities (including all relevant "things", appliances and subsets of space) may be grouped as virtual entities by shared properties to provide a higher level abstraction for control and other applications and better adaptation to lower level configuration changes. Requiring a generic common denominator solution shared by all IoT/SE applications in a given environment, we propose for this infrastructure, to model by finite state automata the target entities to be monitored and controlled, including both individual entities and their groupings, as well as things and space entities, to be able to apply discrete controller synthesis (DCS) technique over any of these at different levels of abstraction and granularity. DCS is a formal method which constructs automatically a controller, if it exists, guaranteeing the required control objectives regarding to the given system behavior model in terms of synchronous parallel automata. The existing BZR programming language and Sigali tools are employed to perform DCS and generate a controller in an automatic way. Necessary supporting software modules are proposed in the implementation such as the relation maintenance module keeping the correct association between individual entity instances and groups, and dispatching the action orders from the high level control to corresponding actuators. This module would evolve later to a more generic solution such as a graph data base including both the general knowledge base and specific environment instance relations. Conflict resolution between objectives of control coming from concurrent controllers is also indispensable due to the intended openness of the platform. A java based context simulator has been developed to simulate the home environment within several scenarios proposed for the validation, such as electrical load control and activity context adaptation.

La gestion d'énergie est un sujet de plus en plus important dans notre société. Nous faisons actuellement face à un nombre croissant de problèmes tels que l'épuisement des réserves pétrolières, le réchauffement climatique ou encore la diminution de la qualité de l'énergie (principalement due aux coupures pendant les pics de consommation). Les smartgrids sont une des solutions à ces problèmes. En ajoutant une communication bidirectionnelle et de nouvelles capacités en matière de technologies de l'information et de la communication, il est possible de créer un système autonome de gestion intelligente de l'énergie.Les travaux décrits dans ce mémoire s'intéressent particulièrement à la gestion des microgrids à l'aide de systèmes multi-agents (SMA). Les microgrids sont des réseaux de faibles puissances, composés de petits producteurs d'énergie décentralisés (éventuellement renouvelables) et de consommateurs. Ces réseaux peuvent être reliés (ou non) au réseau global ce qui ajoute à leur complexité. De par leurs complexités et leurs répartitions géographiques, les smartgrids, comme les microgrids, ne peuvent pas être gérés facilement par des systèmes centralisés. Les intelligences artificielles distribuées et plus particulièrement les SMA apparaissent comme un moyen cohérent de résoudre les problèmes liés aux smartgrids.Dans un premier temps, nous avons défini une approche mettant en oeuvre des boucles de rétroaction. Une boucle de rétroaction apparaît dans les systèmes complexes qui peuvent être définis avec plusieurs niveaux d'abstraction. Deux niveaux sont ainsi en interaction. Le niveau micro regroupe un ensemble d'agents ayant des comportements qui, une fois combinés, influeront sur l'état du système. Le niveau macro traite ces influences pour définir un nouvel état du système qui influera sur le comportement des agents du niveau micro. Cette boucle de rétroaction permet de séparer les comportements sur plusieurs niveaux.Cette approche est utilisée pour définir un problème de gestion offre-demande dans un microgrid. Ce problème permet de prendre en compte un ensemble d'objectifs qui sont actuellement traités de manière indépendante. Enfin, une application utilisant un SMA a été développée. Cette approche peut s'intégrer dans ce problème. Elle a pour but d'assurer la stabilité du réseau à tout instant grâce au contrôle de systèmes de stockage.Dans un second temps, un simulateur de réseau électrique permettant le contrôle dynamique des périphériques a été développé. Ce simulateur repose sur trois grands principes. Le premier est une modélisation à base d'agents du simulateur lui-même, pour représenter la complexité des réseaux électriques. Le second principe repose sur l'utilisation du paradigme holonique afin de prendre en compte les multiples niveaux inhérents aux réseaux électriques. Enfin, le troisième principe est inspiré du modelé influence/réaction et propose une technique qui permet de gérer les actions simultanées, éventuellement conflictuelles, au sein des SMA.

Monitoring and controlling smart grid assets in a timely and reliable manner is highly desired for emerging smart grid applications. Wireless Sensor Networks (WSNs) are anticipated to be widely utilized in a broad range of smart grid applications due to their numerous advantages along with their successful adoption in various critical areas including military and health care. Despite these advantages, the use of WSNs in such critical applications has brought forward a new challenge of ful lling the Quality of Service (QoS) requirements of these applications. Providing QoS support is a challenging issue due to highly resource constrained nature of sensor nodes, unreliable wireless links and harsh operation environments. In this thesis we critically investigate the problem of QoS provisioning in WSNs. We identify challenges, limitations and requirements for applying QoS provisioning for WSNs in smart grid applications. We nd that the topic of data prioritization techniques at the MAC layer to provide delay bounds in condition monitoring applications is not well developed. We develop six novel QoS schemes that provide data di erentiation and reduce the latency of high priority tra c in a smart grid context. These schemes are namely; Delay-Responsive Cross layer (DRX), Fair and Delay-aware Cross layer (FDRX), Delay-Responsive Cross layer with Linear backo (LDRX), Adaptive Realistic and Stable Model (ARSM), Adaptive Inter-cluster head Delay Control (AIDC) and QoS-aware GTS Allocation (QGA). Furthermore, we propose a new Markov-based model for IEEE 802.15.4 MAC namely, Realistic and Stable Markovbased (RSM). RSM considers actual network conditions and enhances the stability of the WSNs. We show through analytical and simulation results that all of the presented schemes reduce the end-to-end delay while maintaining good energy consumption and data delivery values.

Η BPL τεχνολογία είναι μια υποσχόμενη τεχνολογία η οποία προσφέρει τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες μέσω των γραμμών ηλεκτρικής ενέργειας και η οποία τα τελευταία χρόνια γνωρίζει ραγδαία ανάπτυξη. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η παρουσίαση της BPL τεχνολογίας και η υλοποίηση της με τρεις διαφορετικούς τρόπους σε συγκεκριμένο ηλεκτρικό δίκτυο. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια γενική αναφορά στην BPL τεχνολογία. Παρουσιάζονται τα επίπεδα του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας τα οποία συμμετέχουν σε ένα BPL δίκτυο, τα διάφορα δίκτυα πρόσβασης, οι αρχιτεκτονικές και ο εξοπλισμός τους, καθώς και διάφορα προβλήματα που αντιμετωπίζει η συγκεκριμένη τεχνολογία. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται τα επίπεδα του BPL δικτύου. Αναλύονται οι διάφορες τεχνικές διαμόρφωσης όπως η OFDM (ορθογώνια μέθοδος διαμόρφωσης με διαίρεση συχνότητας) και η διαμόρφωση απλωμένου φάσματος. Επίσης γίνεται αναφορά στη διαχείρηση σφαλμάτων, στο BPL MAC στρώμα καθώς και στα πρωτόκολλα 802.11. Στο τρίτο κεφάλαιο αναφέρονται οι διάφορες τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες που προσφέρονται από την BPL τεχνολογία καθώς και οι εφαρμογές του έξυπνου δικτύου (Smart Grid) και του έξυπνου σπιτιού (Smart Home) που υλοποιούνται με τη συγκεκριμένη τεχνολογία. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη αναφορά στην τεχνολογία των οπτικών ινών και στο τρόπο με τον οποίο η τεχνολογία αυτή θα χρησιμοποιηθεί ως δίκτυο κορμού το οποίο θα φτάνει μέχρι και τους μετασχηματιστές μέσης/χαμηλής τάσης. Επίσης παρουσιάζεται και η PON-BPL τεχνολογία. Στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο πραγματοποιείται η σχεδίαση του BPL δικτύου πρόσβασης με τρεις διαφορετικές αρχιτεκτονικές σε περιοχή της Λακωνίας της οποίας το ηλεκτρικό δίκτυο ψηφιοποιήθηκε με τη χρήση ενός προγράμματος GIS (Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών) και συγκεκριμένα του Mapinfo. Στη συνέχεια γίνεται σύγκριση των αρχιτεκτονικών ως προς το κόστος και την ταχύτητα. / BPL technology is a promising technology that offers telecommunications services through power lines, which in the recent years is facing a rapid development. The object of this specific project is the presentation of BPL technology and its realization in three different ways on a specific power grid. In the first chapter there is a general reference to BPL technology. Also it includes a presentation of the levels of the power grid which participate in a specific BPL network. Furthermore there is a presentation of the various access network, their architectures, equipment and various problems faced by this technology. The second chapter contains the description of the levels of BPL network. Also various modulation techniques like OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) and spread-spectrum configuration are analyzed. Finally there is a reference to the management of errors, BPL MAC layer and to the protocols 802.11 as well. In the third chapter there is a reference about the various telecommunication services which are provided via BPL technology as well a reference for the implementations of the Smart Grid and Smart House which are realized with the specific technology. At chapter four a brief reference is conducted about the optical fiber technology and about the manner in which this technology will be used as a backbone which reaches up the medium/low voltage transformers. Also PON-BPL technology is presented. Finally in the fifth and last chapter takes place the design of BPL access network with three different architectures in an area of Laconia whose power grid digitized by using a GIS program (Geographic Information Systems), namely the Mapinfo. Eventually there is a comparison between architectures as concern the cost and the speed of realization needed.

Submitted by RAFAEL FERNANDO MARIANO null (mariano.rafael@outlook.com) on 2017-12-21T18:42:51Z No. of bitstreams: 1 Rafael_Dissertação_Digital_Revisao_FINAL.pdf: 2427309 bytes, checksum: 032f6de48703baf01dc996ef0b00e063 (MD5) / Approved for entry into archive by Minervina Teixeira Lopes null (vina_lopes@bauru.unesp.br) on 2017-12-22T10:58:02Z (GMT) No. of bitstreams: 1 mariano_rf_me_bauru.pdf: 2366747 bytes, checksum: cbc5abe78e5f08900855037b7bf5458b (MD5) / Made available in DSpace on 2017-12-22T10:58:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 mariano_rf_me_bauru.pdf: 2366747 bytes, checksum: cbc5abe78e5f08900855037b7bf5458b (MD5) Previous issue date: 2017-10-31 / A preocupação com a qualidade da energia elétrica, seu uso e técnicas para redução de perdas elétrica não é mais uma tendência e sim uma necessidade, pois, tem se entendido que a energia elétrica é um bem comum e não deve ser desperdiçada. Nesse contexto, estratégias para controlar o nível de tensão e o fator de potência vêm sendo tratadas, com o objetivo de aprimorar o controle dessas variáveis. Este trabalho apresenta uma estratégia de controle integrado de regulação de tensão e do fator de potência para um sistema de distribuição de energia elétrica usando uma rede de comunicação sem fio. A estratégia de controle proposta consiste em uma rede de comunicação entre os dispositivos designados para operarem reguladores de tensão, transformadores com comutadores sob carga e banco de capacitores, concentrando as informações em um único dispositivo capaz de definir a operação dos demais dispositivos alocados no sistema, sendo a concentração das informações feita localmente, sem a necessidade de um sistema de controle centralizado, permitindo uma simplificação e uma redução significativa de custo para implementação de uma solução de controle integrado de tensão e do fator de potência. A estratégia de controle proposta foi modelada no ambiente Matlab®/Simulink® e a rede de comunicação na ferramenta TrueTime. O estudo apresenta uma comparação entre a estratégia proposta e o método de controle tradicional, abordando aspectos relacionados a qualidade de energia elétrica entregue, demanda de energia em horários de alto consumo e perdas elétricas no sistema simulado. Os resultados mostram que a estratégia de controle local integrado de tensão e fator de potência permite a aplicação de banco de capacitores a jusante de reguladores de tensão sem impactar a qualidade de energia elétrica, ainda permite a técnica de redução de tensão com o intuito de reduzir a demanda de energia principalmente em horários de pico de consumo. E por fim apresenta uma redução de perdas elétricas de quase 4%, comparado com a estratégia de controle tradicional. / The issue about power quality, its rational use, and techniques to reduce electrical losses in the distribution systems is not anymore a trend but a necessity, due to, a understanding that the electricity is a common good, then, should not be wasted. Based on this context, strategies have been studying to control the voltage and power factor with the objective to improve the control of this variables. This work presents an integrated control for voltage and power factor strategy to distribution systems using a wireless network. The purposed strategy allows a communication between the devices designed to operate voltage regulators, on load transformers tap changers, and capacitors bank, concentrating all information in only one device, which is able to define the operation of others, being the concentration information made locally, without a necessity of the a centralize system, simplifying and reducing costs related the implementation of an integrated control for voltage and power factor. The strategy presented was modeled in the Matlab®/Simulink® and the communication network using the TrueTime toolbox. The study presents a comparison between the traditional strategy and the purposed, analyzing the power quality delivered, power demand in peak time, and electrical losses in the system. The results shows that the integrated control for voltage and power factor strategy allows the use of capacitors bank downstream of voltage regulators without any impact in the power quality supplied, besides that, it is possible to reduce the power demand lowering the voltage using the conservative voltage reduction function, to finish a reducing in electrical losses about 4% is achieved with the strategy purposed when compared with the traditional.