MV grid discovery via Phasor Measurements Units (PMUs)

Abstract

Este proyecto de tesis estudia la localización de fallas basada en PMU en redes de distribución de media tensión, con un enfoque en soluciones que una empresa de servicios públicos podría implementar realmente. El núcleo del trabajo busca determinar si un estimador de impedancia de un solo extremo, apoyado por un pequeño conjunto de PMUs estratégicamente ubicadas, puede ofrecer ubicaciones fiables sin instrumentar todo el alimentador. Para mantener los costos en un nivel realista, se asume la instalación de PMUs en emplazamientos donde ya existían dispositivos de monitoreo previos. Esta elección está vinculada a la calidad del servicio, dado que una localización más rápida y confiable acorta los tiempos de aislamiento y restauración.

Como caso de estudio se emplea una sección de 43 nodos de un alimentador urbano de Milán. Se simulan fallas en nueve familias de escenarios que combinan tres tipos de falla con tres niveles de resistencia de falla de 0, 1 y 5 Ω. Se extraen fasores, se calculan impedancias aparentes, y cada PMU genera una probabilidad de ubicación a lo largo de la red. Estas estimaciones individuales se combinan después mediante una regla bayesiana bajo una distribución previa uniforme. El rendimiento se evalúa mediante la tasa de clasificación correcta, las probabilidades posteriores y el error de distancia, tanto en metros como como proporción de la longitud del alimentador. Como referencia, se evalúa también un caso base que utiliza únicamente el sensor de cabecera junto al método fusionado.

El método produjo tres hallazgos principales. Con baja resistencia, el desempeño es sólido: en varios casos de 0 Ω identifica 41 de 43 eventos, y las probabilidades posteriores asociadas son altas. A medida que la resistencia aumenta, la confianza y la tasa de aciertos disminuyen, lo que coincide con lo descrito en la literatura sobre métodos de impedancia de un solo extremo, donde la caída de tensión adicional en la falla se interpreta como una mayor longitud de línea. Aun así, el grupo de 5 Ω muestra errores espaciales promedio que se mantienen locales, alrededor del 3,2 % de la extensión del alimentador, lo que permite que las operaciones de maniobra y patrullaje se concentren cerca de la sección real. En comparación con la referencia de un solo sensor, las clasificaciones correctas se reducen aproximadamente en una cuarta parte para 0 y 1 Ω, y los errores de distancia aumentan ligeramente. Los resultados apuntan a una vía creíble para las empresas distribuidoras: despliegue incremental de PMUs en emplazamientos heredados, un estimador de impedancia transparente y una fusión basada en probabilidades.

This thesis project studies PMU-based fault location in medium-voltage distribution networks with a focus on solutions that a utility could actually deploy. The core of the work aims to discover if a single-ended impedance estimator, supported by a small set of well placed PMUs can deliver reliable locations without instrumenting the entire feeder. To keep costs realistic, PMUs are assumed at sites where previous monitors already exist. The choice is tied to quality of service, since quicker and more trustworthy location shortens isolation and restoration. A 43-node section of an urban Milan feeder serves as the case study. Faults are simulated across nine scenario families that combine three fault types with three fault-resistance levels of 0, 1, and 5 Ω. Phasors are extracted, apparent impedances are computed, and each PMU produces a location probability over the network. These per-sensor views are then combined through a Bayesian rule under a uniform prior. Performance is reported using correct classification rate, posterior probabilities, and distance error both in metres and as a share of feeder length. For context, a baseline using only the head-end sensor is evaluated alongside the fused method. The method resulted in three main findings. At low resistance the method performs strongly, in several 0 Ω cases it identifies 41 of 43 events, and the associated posteriors are high. As resistance increases, confidence and hit rate decline, which accords with established accounts of one-ended impedance methods, where the additional voltage drop across the fault is read as extra line length. Even so, the 5 Ω group shows average spatial errors that remain local, roughly 3.2 percent of feeder extent, keeping switching and patrol efforts near the true section. Against the single-sensor baseline, correct classifications fall by about a quarter at 0 and 1 Ω, and distance errors rise slightly. The results suggest a credible path for DSOs: incremental PMU deployment at legacy sites, a transparent impedance estimator, and probability-based fusion.