Synchronized phasor measurements, or synchrophasors, allow the measurement of voltage phase angle and frequency, and through the comparison of two or more phasor the stability of the grid can be studied. The acquisition of synchrophasors in possible using Phasor Measurement Units (PMUs) and Global Positioning System Technology (GPS). The purpose of this research is to study synchrophasor events in the Western Electricity Coordinating Council (WECC) grid. Several studies have been made in the Texas grid, and that allows a comparison of events in both grids. During this study, five different types of synchrophasor events were observed. The first type of events, which consist of a change in phase angle difference value followed by damped oscillations has also been observed in the Texas grid; however, the other 4 types of events are not common occurrences in the Texas grid. The characteristics of each of the five types of synchrophasor events have been analyzed in this thesis. / text

Low frequency oscillations are detrimental to the goals of maximum power transfer and optimal power system security. A contemporary solution to this problem is the addition of power system stabilizers to the automatic voltage regulators on the generators in the power system. The damping provided by this additional stabilizer provides the means to reduce the inhibiting effects of the oscillations. This thesis is an investigation of the use of synchronized phasor measurements as input signals for power system stabilizers installed on the generators of a two-area, 4-machine test power system. A remote measurement feedback controller has been designed and placed in the test power system. Synchronized phasor measurements from optimally sited measurement units were shown to improve the damping of low-frequency inter-area oscillations present in the test system when the proposed controller was included in the generator feedback control loop. The benefit of the damping of these oscillations was evident through the ability to increase the tie-line power flowing in the test system once the proposed control scheme was implemented. Time-domain simulations were used to verify the robustness of the proposed control during severe events, such as a short- circuit or sudden large variations of load. / Master of Science

Neste trabalho de dissertação propõe-se uma metodologia para análise de observabilidade (restauração e identificação de ilhas) e identificação de medidas críticas para sistemas de medição formados por medidas convencionais (medidas de amplitude de tensão e de potência obtidas via sistema SCADA) e medidas fasoriais sincronizadas. A metodologia possibilita análise e restauração da observabilidade a partir da fatoração triangular da matriz jacobiana, associada a um sistema de medição possuindo medidas convencionais e fasoriais sincronizadas. Para identificar as ilhas observáveis, no caso de o sistema não ser observável como um todo, a metodologia faz uso do conceito de caminhos de fatoração, associado à matriz jacobiana fatorada. As medidas críticas são identificadas a partir da análise da estrutura da matriz H \'delta\' t, que é obtida a partir da fatoração triangular da matriz jacobiana. A metodologia proposta é simples, de execução rápida, de fácil implantação e não exige a solução de equações algébricas. Dessa forma a mesma atende aos requisitos para operação em tempo-real. Com o intuito de mostrar como a metodologia proposta funciona, são apresentados exemplos da sua aplicação em um sistema teste de 4 barras. Vale destacar que resultados de diversas simulações computacionais, utilizando os sistemas teste do IEEE (14, 30 e 57 barras), têm demonstrado a eficiência da metodologia. / This dissertation proposes a methodology for observability analysis (restoration and identification of observable islands) and identification of critical measurements for metering systems composed of both synchronized phasor and conventional measurements (power and voltage magnitude measurements). The methodology enables observability analysis and restoration via the triangular factorization of the jacobian matrix associated with metering systems formed by those two types of measurements. The identification of observable islands is carried out through the analysis of the path graphs associated with the factorization of the jacobian matrix. Critical measurements are identified via analysis of the structure of the H \'delta\' t matrix, which is obtained by the triangular factorization of the jacobian matrix. The methodology is simple, fast and easy to implement and does not require solutions of any algebraic equation. Consequently, it is useful for real-time operation. Small numerical examples, using a 4-bus test system, showing the application of the proposed methodology are presented. The IEEE 14, 30 and 57 bus systems with different measurement scenarios were used to evaluate the performance of the proposed methodology.

Neste trabalho de dissertação propõe-se uma metodologia para análise de observabilidade (restauração e identificação de ilhas) e identificação de medidas críticas para sistemas de medição formados por medidas convencionais (medidas de amplitude de tensão e de potência obtidas via sistema SCADA) e medidas fasoriais sincronizadas. A metodologia possibilita análise e restauração da observabilidade a partir da fatoração triangular da matriz jacobiana, associada a um sistema de medição possuindo medidas convencionais e fasoriais sincronizadas. Para identificar as ilhas observáveis, no caso de o sistema não ser observável como um todo, a metodologia faz uso do conceito de caminhos de fatoração, associado à matriz jacobiana fatorada. As medidas críticas são identificadas a partir da análise da estrutura da matriz H \'delta\' t, que é obtida a partir da fatoração triangular da matriz jacobiana. A metodologia proposta é simples, de execução rápida, de fácil implantação e não exige a solução de equações algébricas. Dessa forma a mesma atende aos requisitos para operação em tempo-real. Com o intuito de mostrar como a metodologia proposta funciona, são apresentados exemplos da sua aplicação em um sistema teste de 4 barras. Vale destacar que resultados de diversas simulações computacionais, utilizando os sistemas teste do IEEE (14, 30 e 57 barras), têm demonstrado a eficiência da metodologia. / This dissertation proposes a methodology for observability analysis (restoration and identification of observable islands) and identification of critical measurements for metering systems composed of both synchronized phasor and conventional measurements (power and voltage magnitude measurements). The methodology enables observability analysis and restoration via the triangular factorization of the jacobian matrix associated with metering systems formed by those two types of measurements. The identification of observable islands is carried out through the analysis of the path graphs associated with the factorization of the jacobian matrix. Critical measurements are identified via analysis of the structure of the H \'delta\' t matrix, which is obtained by the triangular factorization of the jacobian matrix. The methodology is simple, fast and easy to implement and does not require solutions of any algebraic equation. Consequently, it is useful for real-time operation. Small numerical examples, using a 4-bus test system, showing the application of the proposed methodology are presented. The IEEE 14, 30 and 57 bus systems with different measurement scenarios were used to evaluate the performance of the proposed methodology.

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

O problema de projeto de sistemas de medição, para efeito de Estimação de Estado em Sistemas Elétricos de Potência, é um problema de otimização multiobjetivo, combinatório, que exige a investigação de um grande número de possíveis soluções. Dessa forma, metaheurísticas vêm sendo empregadas para sua solução. Entretanto, a maioria delas trata o problema de forma mono-objetivo e as poucas que consideram uma formulação multiobjetivo, não contemplam todos os requisitos de desempenho que devem ser atendidos para obtenção de um Sistema de Medição Confiável (SMC) (observabilidade e ausência de Medidas Críticas, Conjuntos Críticos de Medidas, Unidades Terminais Remotas Críticas e Unidades de Medição Fasoriais Críticas). Propõe-se, nesta tese, uma formulação multiobjetivo para o problema de projeto de sistemas de medição de uma forma mais ampla, considerando todas requisitos de desempenho que devem ser atendidos para obtenção de um SMC. Propõe-se, ainda, o desenvolvimento e implantação, em computador, de um método para tratamento desse problema, considerando o trade-off entre os requisitos de desempenho e o custo, fazendo uso do conceito de Fronteira de Pareto. O método possibilita, em uma única execução, a obtenção de quatro tipos de sistemas de medição, a partir da análise de soluções não dominadas. O método permite o projeto de sistemas de medição novos e o aprimoramento de sistemas de medição já existentes, considerando a existência apenas de medidas convencionais SCADA, apenas de Medidas Fasoriais Sincronizadas ou a existência dos dois tipos de medidas. O método proposto faz uso de um Algoritmo Evolutivo Multiobjetivo e do procedimento de obtenção e análise da matriz HΔ. Esse procedimento permite a realização de uma Busca Local, minimizando o custo para atendimento de cada um dos requisitos de desempenho mencionados acima. Simulações são realizadas utilizando dados dos sistemas de 6, 14, 30, 118 e 300 barras do IEEE, bem como do sistema de 61 barras da Eletropaulo, de forma a ilustrar, testar e validar o método proposto. Alguns dos resultados dessas simulações são comparados com resultados obtidos por outros métodos encontrados na literatura. / Metering system planning for power system state estimation is a multi-objective, combinatorial optimization problem that may require the investigation of many possible solutions. As a consequence, meta-heuristics have been employed to solve the problem. However in the majority of them the multi-objective problem is converted in a mono-objective problem and those few considering a multi-objective formulation do not consider all the performance requirements that must be attended in order to obtain a Reliable Metering System (RMS) (system observability and absence of Critical Measurements, Critical Sets, Critical Remote Terminal Units and Critical Phasor Measurement Units). This thesis proposes a multi-objective formulation for the metering system planning problem in a wide way, that is, considering all the performance requirements that must be attended to obtain a RMS. This thesis also proposes the development and implementation, in computer, of a method to solve the metering system planning problem, considering the trade-off between the two conflicting objectives of the problem (minimizing cost while maximizing the performance requirements) making use of the concept of Pareto Frontier. The method allows, in only one execution, the project of four types of metering systems, from the analysis of non-dominated solutions. The method enable the design of new metering systems as well as the improvement of existing ones, considering the existence of only conventional SCADA measurements, or only synchronized phasor measurements or the existence of both types of measurements. The proposed method combines a multi-objective evolutionary algorithm based on subpopulation tables with the properties of the so-called HΔ matrix. The subpopulations tables adequately model several metering system performance requirements enabling a better exploration of the solution space. On the other hand, the properties of the HΔ matrix enable a local search that improves the evolutionary process and minimizes the computational effort. Simulations results with IEEE 6, 14, 30, 118 and 300-bus test systems and with a 61-bus system of Eletropaulo illustrate the efficiency of the proposed method. Some of the results of these simulations will be compared with those published in literature.

Este trabalho propõe o desenvolvimento e implantação, em computador, de uma metodologia para tratamento de diversas etapas do processo de estimação de estado em Sistemas de Distribuição (SDs), que possibilite um tratamento adequado para as particularidades dos SDs no contexto atual (com poucas medidas disponíveis) e futuro (contando com mais medidas SCADA, com as Medidas Fasoriais Sincronizadas (MFSs) e com as avançadas infra-estruturas de medição), ou seja, que possibilite: análise de sistemas desbalanceados e desequilibrados, com ramais monofásicos, bifásicos e trifásicos; o tratamento de sistemas radiais e malhados sem perda de precisão; uma modelagem adequada dos componentes dos SDs, considerando as várias possibilidades de conexão dos transformadores e dos reguladores de tensão; o tratamento de diversos tipos de medidas (medidas convencionais obtidas pelo sistema SCADA, medidas virtuais, pseudo-medidas de carga e de dados históricos e MFSs), ponderando-as de acordo com as respectivas precisões. A metodologia proposta baseia-se no método dos mínimos quadrados ponderados, trabalha no nível dos alimentadores e compreende os seguintes quatro estágios: Estágio 1 geração de pseudo-medidas de carga; Estágio 2 - análise e restauração de observabilidade e identificação de medidas críticas; Estágio 3 - estimação de estado propriamente dita; e Estágio 4 - processamento de erros grosseiros. Tendo em vista as respostas coerentes das diversas simulações realizadas com os alimentadores de teste trifásicos de 4 e 34 barras do IEEE, demonstra-se satisfatoriamente a performance da metodologia proposta. / This thesis proposes a multi-phase unbalanced distribution system (DS) state estimation methodology based on the weighted least squares technique, which allows: load pseudo-measurement modeling; observability analysis and restoration by selecting the required pseudo-measurements (load pseudo-measurements and/or historical measurement data); identication of critical measurements; state estimation; and, nally, gross errors processing. The proposed methodology intends to be a practical tool able to be applied to a variety of DSs, considering latest and future realities. Therefore, the proposed methodology has the following features: (i) includes all realistic DS modeling details, such as, various types of transformer and voltage regulator connections, the presence of single, two and three-phase circuits, as well as the possibility of both the mutual coupling between phases and the shunt susceptance; (ii) treat three-phase networks with high resistance/reactance ratios in a unied framework; and (iii) process measurements with very distinct qualities, some of them are real-time measurements provided by Supervisory Control Data Acquisition (SCADA) systems, Advanced Metering Infrastructure (AMI), Phasor Measurement Units (PMUs), other are virtual measurements (information provided by the buses of zero power injection) and also the pseudo-measurements (load pseudo-measurements, load proles and historical measurement data). Several simulations results (with IEEE 34 and 4 node test feeders) have demonstrated satisfactory performance of the proposed methodology.

O problema de projeto de sistemas de medição, para efeito de Estimação de Estado em Sistemas Elétricos de Potência, é um problema de otimização multiobjetivo, combinatório, que exige a investigação de um grande número de possíveis soluções. Dessa forma, metaheurísticas vêm sendo empregadas para sua solução. Entretanto, a maioria delas trata o problema de forma mono-objetivo e as poucas que consideram uma formulação multiobjetivo, não contemplam todos os requisitos de desempenho que devem ser atendidos para obtenção de um Sistema de Medição Confiável (SMC) (observabilidade e ausência de Medidas Críticas, Conjuntos Críticos de Medidas, Unidades Terminais Remotas Críticas e Unidades de Medição Fasoriais Críticas). Propõe-se, nesta tese, uma formulação multiobjetivo para o problema de projeto de sistemas de medição de uma forma mais ampla, considerando todas requisitos de desempenho que devem ser atendidos para obtenção de um SMC. Propõe-se, ainda, o desenvolvimento e implantação, em computador, de um método para tratamento desse problema, considerando o trade-off entre os requisitos de desempenho e o custo, fazendo uso do conceito de Fronteira de Pareto. O método possibilita, em uma única execução, a obtenção de quatro tipos de sistemas de medição, a partir da análise de soluções não dominadas. O método permite o projeto de sistemas de medição novos e o aprimoramento de sistemas de medição já existentes, considerando a existência apenas de medidas convencionais SCADA, apenas de Medidas Fasoriais Sincronizadas ou a existência dos dois tipos de medidas. O método proposto faz uso de um Algoritmo Evolutivo Multiobjetivo e do procedimento de obtenção e análise da matriz HΔ. Esse procedimento permite a realização de uma Busca Local, minimizando o custo para atendimento de cada um dos requisitos de desempenho mencionados acima. Simulações são realizadas utilizando dados dos sistemas de 6, 14, 30, 118 e 300 barras do IEEE, bem como do sistema de 61 barras da Eletropaulo, de forma a ilustrar, testar e validar o método proposto. Alguns dos resultados dessas simulações são comparados com resultados obtidos por outros métodos encontrados na literatura. / Metering system planning for power system state estimation is a multi-objective, combinatorial optimization problem that may require the investigation of many possible solutions. As a consequence, meta-heuristics have been employed to solve the problem. However in the majority of them the multi-objective problem is converted in a mono-objective problem and those few considering a multi-objective formulation do not consider all the performance requirements that must be attended in order to obtain a Reliable Metering System (RMS) (system observability and absence of Critical Measurements, Critical Sets, Critical Remote Terminal Units and Critical Phasor Measurement Units). This thesis proposes a multi-objective formulation for the metering system planning problem in a wide way, that is, considering all the performance requirements that must be attended to obtain a RMS. This thesis also proposes the development and implementation, in computer, of a method to solve the metering system planning problem, considering the trade-off between the two conflicting objectives of the problem (minimizing cost while maximizing the performance requirements) making use of the concept of Pareto Frontier. The method allows, in only one execution, the project of four types of metering systems, from the analysis of non-dominated solutions. The method enable the design of new metering systems as well as the improvement of existing ones, considering the existence of only conventional SCADA measurements, or only synchronized phasor measurements or the existence of both types of measurements. The proposed method combines a multi-objective evolutionary algorithm based on subpopulation tables with the properties of the so-called HΔ matrix. The subpopulations tables adequately model several metering system performance requirements enabling a better exploration of the solution space. On the other hand, the properties of the HΔ matrix enable a local search that improves the evolutionary process and minimizes the computational effort. Simulations results with IEEE 6, 14, 30, 118 and 300-bus test systems and with a 61-bus system of Eletropaulo illustrate the efficiency of the proposed method. Some of the results of these simulations will be compared with those published in literature.

Este trabalho propõe o desenvolvimento e implantação, em computador, de uma metodologia para tratamento de diversas etapas do processo de estimação de estado em Sistemas de Distribuição (SDs), que possibilite um tratamento adequado para as particularidades dos SDs no contexto atual (com poucas medidas disponíveis) e futuro (contando com mais medidas SCADA, com as Medidas Fasoriais Sincronizadas (MFSs) e com as avançadas infra-estruturas de medição), ou seja, que possibilite: análise de sistemas desbalanceados e desequilibrados, com ramais monofásicos, bifásicos e trifásicos; o tratamento de sistemas radiais e malhados sem perda de precisão; uma modelagem adequada dos componentes dos SDs, considerando as várias possibilidades de conexão dos transformadores e dos reguladores de tensão; o tratamento de diversos tipos de medidas (medidas convencionais obtidas pelo sistema SCADA, medidas virtuais, pseudo-medidas de carga e de dados históricos e MFSs), ponderando-as de acordo com as respectivas precisões. A metodologia proposta baseia-se no método dos mínimos quadrados ponderados, trabalha no nível dos alimentadores e compreende os seguintes quatro estágios: Estágio 1 geração de pseudo-medidas de carga; Estágio 2 - análise e restauração de observabilidade e identificação de medidas críticas; Estágio 3 - estimação de estado propriamente dita; e Estágio 4 - processamento de erros grosseiros. Tendo em vista as respostas coerentes das diversas simulações realizadas com os alimentadores de teste trifásicos de 4 e 34 barras do IEEE, demonstra-se satisfatoriamente a performance da metodologia proposta. / This thesis proposes a multi-phase unbalanced distribution system (DS) state estimation methodology based on the weighted least squares technique, which allows: load pseudo-measurement modeling; observability analysis and restoration by selecting the required pseudo-measurements (load pseudo-measurements and/or historical measurement data); identication of critical measurements; state estimation; and, nally, gross errors processing. The proposed methodology intends to be a practical tool able to be applied to a variety of DSs, considering latest and future realities. Therefore, the proposed methodology has the following features: (i) includes all realistic DS modeling details, such as, various types of transformer and voltage regulator connections, the presence of single, two and three-phase circuits, as well as the possibility of both the mutual coupling between phases and the shunt susceptance; (ii) treat three-phase networks with high resistance/reactance ratios in a unied framework; and (iii) process measurements with very distinct qualities, some of them are real-time measurements provided by Supervisory Control Data Acquisition (SCADA) systems, Advanced Metering Infrastructure (AMI), Phasor Measurement Units (PMUs), other are virtual measurements (information provided by the buses of zero power injection) and also the pseudo-measurements (load pseudo-measurements, load proles and historical measurement data). Several simulations results (with IEEE 34 and 4 node test feeders) have demonstrated satisfactory performance of the proposed methodology.