El objetivo de la presente tesis es desarrollar un nuevo método de generación de umbrales adaptativos mediante la obtención de las respuestas temporales máxima y mínima a cada instante de tiempo, denominadas envolventes, a partir del modelo de un sistema con incertidumbre parmétrica de tipo intercalar en los parámetros. El nuevo algoritmo para la generación de envolventes presentado en esta tesis está basado en una ventana temporal deslizante y optimización. Una vez obtenidas las envolventes a partir del nuevo algoritmo de generación, se utilizarán para la detección robusta de fallos en procesos industriales.La generación de envolventes para su posterior utilización como un umbral adaptativo en un método de detección y diagnóstico de fallo es todavía hoy un problema abierto. Se han propuesto muchos algoritmos para su generación pero ninguno de ellos consiguegarantizar la obtención de las envolventes correctas, entendiendo como correctas aquellas envolventes debidas a la incertidumbre presente en los parámetros del sistema y a la incertidumbre sobre los estados iniciales.El método de generación de envolventes propuesto en esta tesis consigue generar las envolventes con la precisión deseada y con la incertidumbre acumulada por el proceso de generación de las envolventes acotada.Los resultados y aportaciones más significativas que se han obtenido en esta tesis se enumeran a continuación:. Nuevo algoritmo para la generación de envolventes basado en optimización y en el paradigma de las ventanas deslizantes.. Determinación analítica y mediante simulaciones de la longitud de ventana óptima para obtener unas envolventes correctas.. Demostración de que el nuevo algoritmo evita los problemas que padecen la mayoría de algoritmos de generación de envolventes: wrapping, multiincidencias, problemas de óptimos locales y el problema de propagación de la incertidumbre.

El tema d'aquesta tesi és el desenvolupament de mètodes de fitació per a una classe de models de confiabilitat basats en cadenes de Markov de temps continu (CMTC) de sistemes tolerants a fallades.Els sistemes considerats a la tesi es conceptualitzen com formats per components (hardware o software) que fallen i, en el cas de sistemes reparables, són reparats. Els components s'agrupen en classes de forma que els components d'una mateixa classe són indistingibles. Per tant, un component és considerat com a una instància d'una classe de components i el sistema inclou un bag de classes de components definit sobre un cert domini. L'estat no fallada/fallada del sistema es determina a partir de l'estat no fallada/fallada dels components mitjançant una funció d'estructura coherent que s'especifica amb un arbre de fallades amb classes d'esdeveniments bàsics. (Una classe d'esdeveniment bàsic és la fallada d'un component d'una classe de components.)La classe de models basats en CMTC considerada a la tesi és força àmplia i permet, per exemple, de modelar el fet que un component pot tenir diversos modes de fallada. També permet de modelar fallades de cobertura mitjançant la introducció de components ficticis que no fallen per ells mateixos i als quals es propaguen les fallades d'altres components. En el cas de sistemes reparables, la classe de models considerada admet polítiques de reparació complexes (per exemple, nombre limitat de reparadors, prioritats, inhibició de reparació) així com reparació en grup (reparació simultània de diversos components). Tanmateix, no és possible de modelar la reparació diferida (és a dir, el fet de diferir la reparació d'un component fins que una certa condició es compleixi).A la tesi es consideren dues mesures de confiabilitat: la no fiabilitat en un instant de temps donat en el cas de sistemes no reparables i la no disponibilitat en règim estacionari en el cas sistemes reparables.Els mètodes de fitació desenvolupats a la tesi es basen en el concepte de "distància a la fallada", que es defineix com el nombre mínim de components que han de fallar a més dels que ja han fallat per fer que el sistema falli.A la tesi es desenvolupen quatre mètodes de fitació. El primer mètode dóna fites per a la no fiabilitat de sistemes no reparables emprant distàncies a la fallada exactes. Aquestes distàncies es calculen usant el conjunt de talls mínims de la funció d'estructura del sistema. El conjunt de talls mínims s'obté amb un algorisme desenvolupat a la tesi que obté els talls mínims per a arbres de fallades amb classes d'esdeveniments bàsics. El segon mètode dóna fites per a la no fiabilitat usant fites inferiors per a les distàncies a la fallada. Aquestes fites inferiors s'obtenen analitzant l'arbre de fallades del sistema, no requereixen de conèixer el conjunt de talls mínims i el seu càlcul és poc costós. El tercer mètode dóna fites per a la no disponibilitat en règim estacionari de sistemes reparables emprant distàncies a la fallada exactes. El quart mètode dóna fites per a la no disponibilitat en règim estacionari emprant les fites inferiors per a les distàncies a la fallada.Finalment, s'il·lustren les prestacions de cada mètode usant diversos exemples. La conclusió és que cada un dels mètodes pot funcionar molt millor que altres mètodes prèviament existents i estendre de forma significativa la complexitat de sistemes tolerants a fallades per als quals és possible de calcular fites ajustades per a la no fiabilitat o la no disponibilitat en règim estacionari. / The subject of this dissertation is the development of bounding methods for a class of continuous-time Markov chain (CTMC) dependability models of fault-tolerant systems.The systems considered in the dissertation are conceptualized as made up of components (hardware or software) that fail and, for repairable systems, are repaired. Components are grouped into classes, the components of the same class being indistinguishable. Thus, a component is regarded as an instance of some component class and the system includes a bag of component classes defined over a certain domain. The up/down state of the system is determined from the unfailed/failed state of the components through a coherent structure function specified by a fault tree with basic event classes. (A basic event class is the failure of a component of a component class.)The class of CTMC models considered in the dissertation is quite wide and allows, for instance, to model the fact that a component may have different failure modes. It also allows to model coverage failures by means of introducing fictitious components that do not fail by themselves and to which uncovered failures of other components are propagated. In the case of repairable systems, the considered class of models supports very complex repair policies (e.g., limited repairpersons, priorities, repair preemption) as well as group repair (i.e., simultaneous repair of several components). However, deferred repair (i.e., the deferring of repair until some condition is met) is not allowed.Two dependability measures are considered in the dissertation: the unreliability at a given time epoch for non-repairable systems and the steady-state unavailability for repairable systems.The bounding methods developed in the dissertation are based on the concept of "failure distance from a state," which is defined as the minimum number of components that have to fail in addition to those already failed to take the system down.We develop four bounding methods. The first method gives bounds for the unreliability of non-repairable fault-tolerant systems using (exact) failure distances. Those distances are computed using the set of minimal cuts of the structure function of the system. The set of minimal cuts is obtained using an algorithm developed in the dissertation that obtains the minimal cuts for fault trees with basic event classes. The second method gives bounds for the unreliability using easily computable lower bounds for failure distances. Those lower bounds are obtained analyzing the fault tree of the system and do not require the knowledge of the set of minimal cuts. The third method gives bounds for the steady-state unavailability using (exact) failure distances. The fourth method gives bounds for the steady-state unavailability using the lower bounds for failure distances.Finally, the performance of each method is illustrated by means of several large examples. We conclude that the methods can outperform significantly previously existing methods and extend significantly the complexity of the fault-tolerant systems for which tight bounds for the unreliability or steady-state unavailability can be computed.

This thesis proposes a formalism to analyse and automatically exploit sequences of events, which are related with faults occurred in power distribution networks and are recorded by power quality monitors at substations. This formalism allows to find dependencies or relationships among events, looking for meaningful patterns. Once those patterns are found, they can be used to better describe fault situations and their temporal evolution or can be also useful to predict future failures by recognising the events that match the early stages of a pattern. / En aquesta tesi es proposa un formalisme per analitzar conjunts de dades d'esdeveniments relacionats amb les fallades que es produeixen en les xarxes de distribució elèctrica, i explotar automàticament seqüències d'esdeveniments registrats pels monitors de qualitat d'ona instal•lats en substacions. Aquest formalisme permet cercar dependencies o relacions entre esdeveniments per trobar patrons significatius. Quan els patrons es troben, es poden utilitzar per descriure millor les situacions de fallada i la seva evolució. Els patrons també poden ser útils per a predir fallades futures mitjançant el reconeixement dels successos que coincideixin amb les primeres etapes d'un patró.

Les noves tecnologies a la xarxa ens permeten transportar, cada cop més, grans volums d' informació i trànsit de xarxa amb diferents nivells de prioritat. En aquest escenari, on s'ofereix una millor qualitat de servei, les conseqüències d'una fallada en un enllaç o en un node esdevenen més importants. Multiprotocol Lavel Switching (MPLS), juntament amb l'extensió a MPLS generalitzat (GMPLS), proporcionen mecanismes ràpids de recuperació de fallada establint camins, Label Switch Path (LSPs), redundants per ser utilitzats com a camins alternatius. En cas de fallada podrem utilitzar aquests camins per redireccionar el trànsit. El principal objectiu d'aquesta tesi ha estat millorar alguns dels actuals mecanismes de recuperació de fallades MPLS/GMPLS, amb l'objectiu de suportar els requeriments de protecció dels serveis proporcionats per la nova Internet. Per tal de fer aquesta avaluació s'han tingut en compte alguns paràmetres de qualitat de protecció com els temps de recuperació de fallada, les pèrdues de paquets o el consum de recursos.En aquesta tesi presentem una completa revisió i comparació dels principals mètodes de recuperació de fallada basats en MPLS. Aquest anàlisi inclou els mètodes de protecció del camí (backups globals, backups inversos i protecció 1+1), els mètodes de protecció locals i els mètodes de protecció de segments. També s'ha tingut en compte l'extensió d'aquests mecanismes a les xarxes òptiques mitjançant el pla de control proporcionat per GMPLS.En una primera fase d'aquest treball, cada mètode de recuperació de fallades és analitzat sense tenir en compte restriccions de recursos o de topologia. Aquest anàlisi ens dóna una primera classificació dels millors mecanismes de protecció en termes de pèrdues de paquets i temps de recuperació. Aquest primer anàlisi no és aplicable a xarxes reals. Per tal de tenir en compte aquest nou escenari, en una segona fase, s'analitzen els algorismes d'encaminament on sí tindrem en compte aquestes limitacions i restriccions de la xarxa. Es presenten alguns dels principals algorismes d'encaminament amb qualitat de servei i alguna de les principals propostes d'encaminament per xarxes MPLS. La majoria dels actual algorismes d'encaminament no tenen en compte l'establiment de rutes alternatives o utilitzen els mateixos objectius per seleccionar els camins de treball i els de protecció. Per millorar el nivell de protecció introduïm i formalitzem dos nous conceptes: la Probabilitat de fallada de la xarxa i l'Impacte de fallada. Un anàlisi de la xarxa a nivell físic proporciona un primer element per avaluar el nivell de protecció en termes de fiabilitat i disponibilitat de la xarxa. Formalitzem l'impacte d'una fallada, quant a la degradació de la qualitat de servei (en termes de retard i pèrdues de paquets). Expliquem la nostra proposta per reduir la probabilitat de fallada i l'impacte de fallada. Per últim fem una nova definició i classificació dels serveis de xarxa segons els valors requerits de probabilitat de fallada i impacte.Un dels aspectes que destaquem dels resultats d'aquesta tesi és que els mecanismes de protecció global del camí maximitzen la fiabilitat de la xarxa, mentre que les tècniques de protecció local o de segments de xarxa minimitzen l'impacte de fallada. Per tant podem assolir mínim impacte i màxima fiabilitat aplicant protecció local a tota la xarxa, però no és una proposta escalable en termes de consum de recursos. Nosaltres proposem un mecanisme intermig, aplicant protecció de segments combinat amb el nostre model d'avaluació de la probabilitat de fallada. Resumint, aquesta tesi presenta diversos mecanismes per l'anàlisi del nivell de protecció de la xarxa. Els resultats dels models i mecanismes proposats milloren la fiabilitat i minimitzen l'impacte d'una fallada en la xarxa. / New network technology enables increasingly higher volumes of information to be carried. Various types of mission-critical, higher-priority traffic are now transported over these networks. In this scenario, when offering better quality of service, the consequences of a fault in a link or node become more pronounced. Multiprotocol Label Switching (MPLS) and the extended Generalized MPLS (GMPLS) provide fast mechanisms for recovery from failures by establishing redundant Label Switch Paths as backup paths. With these backups, traffic can always be redirected in case of failure. The main objective of this thesis is to improve some of the current MPLS/GMPLS fault recovery methods, in order to support the protection requirements of the new Internet services. Some parameters, such as fault recovery time, packet loss or resource consumption, all within the scope of this quality of protection, are considered. In this thesis a review and detailed comparison of the MPLS fault recovery methods are presented. Path protection methods (global backups, reverse backups and 1+1 methods), as well as segment protection and local methods are included in this analysis. The extension of these mechanisms to optical networks using GMPLS control plane is also taken into account.In the first phase MPLS fault recovery methods are analyzed without taking into account resource or network topology constraints. This analysis reported a first classification of the best protection methods in terms of packet loss and recovery time. This first analysis cannot be applied to real networks. In real networks, bandwidth or network topology constraints can force a change in the a priori optimal protection choice. In this new scenario, current routing algorithms must be analyzed. The main aspects of the QoS routing methods are introduced, and some of these mechanisms are described and compared. QoS routing algorithms do not include protection as a main objective and, moreover, the same QoS objectives for selecting the working path are used for selecting the backup path. In order to evaluate the quality of protection, two novel concepts are introduced and analyzed: the network failure probability and the failure impact. The physical network provides an initial value of the network protection level in terms of network reliability and availability. A proposal to evaluate network reliability is introduced, and a formulation to calculate the failure impact (the QoS degradation in terms of packet loss and delay) is presented. A proposal to reduce the failure probability and failure impact as well as the enhancement of some current routing algorithms in order to achieve better protection are explained. A review of the traffic services protection requirements and a new classification, based on the failure probability and failure impact values, is also provided in this work.Results show that path protection schemes improve network reliability. Segment/local protection schemes reduce the network failure impact. Minimum impact with maximum reliability can be achieved using local protection throughout the entire network. However, it is not scalable in terms of resource consumption. In this case our failure probability evaluation model can be used to minimize the required resources. Results demonstrate the reduction of the failure impact combining segment protection and our network reliability evaluation model in different network scenarios.In summary, an in-depth analysis is carried out and a formulation to evaluate the network protection level is presented. This evaluation is based on network reliability maximization and failure impact reduction in terms of QoS degradation. A scalable proposal in terms of resource consumption, detailed and experimentally analyzed, offers the required level of protection in different network scenarios for different traffic services.

La calidad de energía eléctrica incluye la calidad del suministro y la calidad de la atención al cliente. La calidad del suministro a su vez se considera que la conforman dos partes, la forma de onda y la continuidad. En esta tesis se aborda la continuidad del suministro a través de la localización de faltas. Este problema se encuentra relativamente resuelto en los sistemas de transmisión, donde por las características homogéneas de la línea, la medición en ambos terminales y la disponibilidad de diversos equipos, se puede localizar el sitio de falta con una precisión relativamente alta. En sistemas de distribución, sin embargo, la localización de faltas es un problema complejo y aún no resuelto. La complejidad es debida principalmente a la presencia de conductores no homogéneos, cargas intermedias, derivaciones laterales y desbalances en el sistema y la carga. Además, normalmente, en estos sistemas sólo se cuenta con medidas en la subestación, y un modelo simplificado del circuito. Los principales esfuerzos en la localización han estado orientados al desarrollo de métodos que utilicen el fundamental de la tensión y de la corriente en la subestación, para estimar la reactancia hasta la falta. Como la obtención de la reactancia permite cuantificar la distancia al sitio de falta a partir del uso del modelo, el Método se considera Basado en el Modelo (MBM). Sin embargo, algunas de sus desventajas están asociadas a la necesidad de un buen modelo del sistema y a la posibilidad de localizar varios sitios donde puede haber ocurrido la falta, esto es, se puede presentar múltiple estimación del sitio de falta.Como aporte, en esta tesis se presenta un análisis y prueba comparativa entre varios de los MBM frecuentemente referenciados. Adicionalmente se complementa la solución con métodos que utilizan otro tipo de información, como la obtenida de las bases históricas de faltas con registros de tensión y corriente medidos en la subestación (no se limita solamente al fundamental). Como herramienta de extracción de información de estos registros, se utilizan y prueban dos técnicas de clasificación (LAMDA y SVM). Éstas relacionan las características obtenidas de la señal, con la zona bajo falta y se denominan en este documento como Métodos de Clasificación Basados en el Conocimiento (MCBC). La información que usan los MCBC se obtiene de los registros de tensión y de corriente medidos en la subestación de distribución, antes, durante y después de la falta. Los registros se procesan para obtener los siguientes descriptores: a) la magnitud de la variación de tensión ( dV ), b) la variación de la magnitud de corriente ( dI ), c) la variación de la potencia ( dS ), d) la reactancia de falta ( Xf ), e) la frecuencia del transitorio ( f ), y f) el valor propio máximo de la matriz de correlación de corrientes (Sv), cada uno de los cuales ha sido seleccionado por facilitar la localización de la falta. A partir de estos descriptores, se proponen diferentes conjuntos de entrenamiento y validación de los MCBC, y mediante una metodología que muestra la posibilidad de hallar relaciones entre estos conjuntos y las zonas en las cuales se presenta la falta, se seleccionan los de mejor comportamiento.Los resultados de aplicación, demuestran que con la combinación de los MCBC con los MBM, se puede reducir el problema de la múltiple estimación del sitio de falta. El MCBC determina la zona de falta, mientras que el MBM encuentra la distancia desde el punto de medida hasta la falta, la integración en un esquema híbrido toma las mejores características de cada método. En este documento, lo que se conoce como híbrido es la combinación de los MBM y los MCBC, de una forma complementaria. Finalmente y para comprobar los aportes de esta tesis, se propone y prueba un esquema de integración híbrida para localización de faltas en dos sistemas de distribución diferentes. Tanto los métodos que usan los parámetros del sistema y se fundamentan en la estimación de la impedancia (MBM), como aquellos que usan como información los descriptores y se fundamentan en técnicas de clasificación (MCBC), muestran su validez para resolver el problema de localización de faltas. Ambas metodologías propuestas tienen ventajas y desventajas, pero según la teoría de integración de métodos presentada, se alcanza una alta complementariedad, que permite la formulación de híbridos que mejoran los resultados, reduciendo o evitando el problema de la múltiple estimación de la falta. / Power quality includes the supply and customer support quality. The supply quality considers two aspects, the wave shape and continuity. In this thesis the fault location problem, topic related with supply continuity is considered. Fault location is a relatively solved problem in power transmission systems, due to the homogeneous characteristics of the power line, measurements in both terminals and also the availability equipment such as fault locators normally included in distance relays. However, in power distribution systems the fault location is a complex problem which remains unsolved. The complexity is mainly because the presence of laterals, load taps, non homogeneous conductors, unbalances in the system and load. In addition, these power systems only have measurements at the substation and a simplified model of the power network. The main efforts to solve this problem have been oriented to the development of impedance based methods. Because of the reactance estimation makes possible the estimation of the distance to the faulted node by using the circuit model, those methods are considered as Model Based Methods (MBM). However the main drawbacks are related to the requirement of a good system model and to the possibility of multiple estimation of the location of the fault due to the three-shape of such networks. As a result, in this thesis an analysis and a comparative test between several MBM frequently cited is presented. In addition, the solution of the fault location is complemented by using methods which use more than the rms values of current and voltage obtained from fault databases. As tool to relate this information with the fault location, two classification techniques are used and tested (LAMDA and SVM). These relate the voltage and current characteristics to the faulted zone and are denoted in this document as Classification Methods Based on the Knowledge (CMBK).The information used by CMBK is obtained from current and voltage fault registers measured at the distribution substation, before, during and after the fault. These registers are pre-processed to obtain the following characteristics or descriptors: a) The magnitude of the voltage variation between the steady states of fault and pre-fault ( dV ), b) the magnitude of the current variation between the steady states of fault and pre-fault ( dI ), c) the magnitude of the apparent power variation between the steady states of fault and pre-fault ( dS ), d) the magnitude of the reactance as seen from the substation ( Xf ), e) the frequency of the transient caused by the fault ( f ), and f) the maximum eigenvalue of the correlation matrix of the currents ( Sv ). By using these descriptors, several training and validation sets were used with CMBK and by means of a proposed methodology it is shown how to relate these sets with the faulted zone and also to select those which offer the best performances.The application results demonstrate how by combining the MBM with the CMBK it is possible to reduce the multiple estimation of the fault location. The CMBK is used to determine the faulted zone while the MBM finds the distance from the measurement point to the faulted node. Thus the integration in a hybrid approach uses the best characteristics of each method. In this document, the term hybrid is used to describe the complementary combination of MBM and CMBK. Finally and aimed to compare the thesis results, an integration hybrid scheme to fault location is proposed and tested in two different power distribution systems. Both, methods which use the system parameters and are based on the impedance estimation (MBM), and those which use the information represented by the signal descriptors and are based in classification techniques (CMBK) have shown the capability to solve the problem of fault location. The two proposed methodologies have advantages and drawbacks, but according to the integration theory presented, high complementarity has been reached. This makes possible the development of a hybrid approach used to avoid or reduces the multiple estimation of the fault location.