Este trabalho de dissertação trata do problema de observabilidade e redundância de medidas para efeito de estimação de estado trifásica. É proposta a extensão de uma metodologia numérica eficiente para análise de observabilidade e identificação de medidas críticas e conjuntos críticos de medidas, desenvolvida para modelagem por fase, a fim de considerar redes trifásicas de energia, nas quais os desbalanços nas cargas e os desequilíbrios na rede são considerados. Ao longo do trabalho apresenta-se uma revisão dos principais conceitos de estimação de estado, observabilidade de redes e redundância de medidas, destacando a importância da estimação de estado trifásica para obtenção de uma operação segura de sistemas elétricos de potência desbalanceados e/ou desequilibrados. Os resultados obtidos em diversos testes realizados, com sistemas trifásicos já empregados em outros trabalhos da área contendo 4, 7 e 38 barras, atestam o adequado desempenho da extensão proposta e são apresentados detalhadamente nesta dissertação. Por fim, o conceito de observabilidade topológica, desenvolvido para modelagem monofásica da rede, é estendido para modelagem trifásica, permitindo um entendimento melhor do problema de observabilidade no contexto de estimação trifásica. / This thesis focuses on the problem of observability and measurement redundancy in the context of three-phase state estimation. It is proposed an extension of an efficient numerical methodology for observability and redundancy analysis, developed for the single-phase network model, in order to consider the three-phase network model, where the unbalanced loads and the asymmetric nature of the system are considered. During this work, a review of the main concepts related to state estimation, network observability and measurement redundancy are presented, highlighting the importance of the three-phase state estimation in order to obtain a reliable operation of unbalanced and/or asymmetric power systems. Simulations results obtained for several cases studies based on three three-phase systems already used in the literature, with 4, 7 and 38 buses, validate the proposed methodology extension and are presented in detail in this thesis. Finally, the concept of topological observability, developed for the single-phase network model, is extended for the three-phase model.

Este trabalho de dissertação trata do problema de observabilidade e redundância de medidas para efeito de estimação de estado trifásica. É proposta a extensão de uma metodologia numérica eficiente para análise de observabilidade e identificação de medidas críticas e conjuntos críticos de medidas, desenvolvida para modelagem por fase, a fim de considerar redes trifásicas de energia, nas quais os desbalanços nas cargas e os desequilíbrios na rede são considerados. Ao longo do trabalho apresenta-se uma revisão dos principais conceitos de estimação de estado, observabilidade de redes e redundância de medidas, destacando a importância da estimação de estado trifásica para obtenção de uma operação segura de sistemas elétricos de potência desbalanceados e/ou desequilibrados. Os resultados obtidos em diversos testes realizados, com sistemas trifásicos já empregados em outros trabalhos da área contendo 4, 7 e 38 barras, atestam o adequado desempenho da extensão proposta e são apresentados detalhadamente nesta dissertação. Por fim, o conceito de observabilidade topológica, desenvolvido para modelagem monofásica da rede, é estendido para modelagem trifásica, permitindo um entendimento melhor do problema de observabilidade no contexto de estimação trifásica. / This thesis focuses on the problem of observability and measurement redundancy in the context of three-phase state estimation. It is proposed an extension of an efficient numerical methodology for observability and redundancy analysis, developed for the single-phase network model, in order to consider the three-phase network model, where the unbalanced loads and the asymmetric nature of the system are considered. During this work, a review of the main concepts related to state estimation, network observability and measurement redundancy are presented, highlighting the importance of the three-phase state estimation in order to obtain a reliable operation of unbalanced and/or asymmetric power systems. Simulations results obtained for several cases studies based on three three-phase systems already used in the literature, with 4, 7 and 38 buses, validate the proposed methodology extension and are presented in detail in this thesis. Finally, the concept of topological observability, developed for the single-phase network model, is extended for the three-phase model.

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.

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.

State estimation plays an important role in modern power systems. The errors in the telemetered measurements and the connectivity information of the network will greatly contaminate the estimated system state. This dissertation provides solutions to suppress the influences of these errors. A two-stage state estimation algorithm has been utilized in topology error identification in the past decade. Chapter II discusses the implementation of this algorithm. A concise substation model is defined for this purpose. A friendly user interface that incorporates the two-stage algorithm into the conventional state estimator is developed. The performances of the two-stage state estimation algorithms rely on accurate determination of suspect substations. A comprehensive identification procedure is described in chapter III. In order to evaluate the proposed procedure, a topology error library is created. Several identification methods are comparatively tested using this library. A remote measurement calibration method is presented in chapter IV. The un-calibrated quantities can be related to the true values by the characteristic functions. The conventional state estimation algorithm is modified to include the parameters of these functions. Hence they can be estimated along with the system state variables and used to calibrate the measurements. The measurements taken at different time instants are utilized to minimize the influence of the random errors. A method for auto tuning of measurement weights in state estimation is described in chapter V. Two alternative ways to estimate the measurement random error variances are discussed. They are both tested on simulation data generated based on IEEE systems. Their performances are compared. A comprehensive solution, which contains an initialization process and a recursively updating process, is presented. Chapter VI investigates the errors introduced in the positive sequence state estimation due to the usual assumptions of having fully balanced bus loads/generations and continuously transposed transmission lines. Several tests are conducted using different assumptions regarding the availability of single and multi-phase measurements. It is demonstrated that incomplete metering of three-phase system quantities may lead to significant errors in the positive sequence state estimates for certain cases. A novel sequence domain three-phase state estimation algorithm is proposed to solve this problem.