Approccio compressive sensing Taylor-Fourier trifase nel dominio dei componenti simmetrici per la stima di sincrofasori

In the context of the 21st-century energy transition, networks are increasingly subject to harmonic and interharmonic components due to the greater number of nonlinear loads connected via converters, as well as greater variability in voltage and current waveforms due to lower system inertia. In this context, monitoring with higher temporal resolutions becomes crucial to ensure proper operation of the electricity system. The enabling measurement instrument is the PMU, used in transmission networks due to the ability to provide synchronized measurements between very distant network nodes and with more sophisticated spectral reconstruction algorithms than traditional SCADA systems. However, consideration is being given to introducing PMUs in distribution networks, where harmonic and interharmonic interference, imbalances, and disturbances are even greater, as well as experiencing faster dynamics than transmission networks. In recent years, interest in developing new algorithms capable of operating in the presence of greater dynamics and spectral interference has grown. Those based on the Taylor Fourier Multifrequency model have yielded good results, such as CS-WTFM for single phase signals and its three-phase version, CS3-WTFM. This thesis explores the application of CS-WTFM to three-phase systems using the space vector formalism. The new algorithm will operate in the domain of symmetrical components and will therefore be called Compressing Sensing Symmetrical Components Weighted Taylor Fourier Multifrequency (CSSC-WTFM). To test the algorithm, the total vector error (TVE), the frequency error (FE), and the ROCOF error (RFE) were evaluated. The CSSC-WTFM achieved better results than the CS3-WTFM under conditions characterized by strong noise and amplitude and phase modulation of the fundamental component, at a slight increase in computational load. The algorithm was developed in MATLAB, and two implementations with different computational loads were proposed. A comparison between Kaiser and DPSS windows was also conducted to assess the consequences of small approximations in the calculation of window weights. DPSS introduced significant improvements in modulation tests and in noise rejection for non-extreme conditions.

Nel contesto della transizione energetica del XXI secolo le reti elettriche sono sempre più soggette alla presenza di componenti armoniche ed interarmoniche dovute al maggior numero di carichi non lineari connessi tramite convertitori, oltre che ad una maggior variabilità delle forme d’onda di tensione e corrente per via di una minor inerzia del sistema. In questo contesto il monitoraggio con maggiori risoluzioni temporali diventa cruciale per poter operare il sistema elettrico correttamente. Lo strumento di misura abilitante sono le PMU, utilizzate nelle reti di trasmissione per via della possibilità di restituire misure sincronizzate tra nodi della rete molto distanti tra loro e con algoritmi di ricostruzione del supporto spettrale più sofisticati rispetto ai tradizionali sistemi SCADA. Tuttavia si sta considerando di introdurre le PMU nelle reti di distribuzione dove le interferenze armoniche, interarmoniche, sbilanciamenti e disturbi sono ancora più forti, oltre che a dinamiche più rapide rispetto alle reti di trasmissione. Negli ultimi anni è cresciuto l’interesse per lo sviluppo di nuovi algoritmi che siano in grado di lavorare in presenza di maggiori dinamiche e interferenze spettrali. Quelli basati sul modello Taylor-Fourier Multifrequenza hanno dato buoni risultati, come per esempio il CS-WTFM per segnali monofase e la sua versione trifase CS3-WTFM. Questa tesi esplora l’applicazione del CS-WTFM ai sistemi trifase per mezzo del formalismo del vettore spaziale. Il nuovo algoritmo lavorerà nel dominio dei componenti simmetrici e per questo sarà chiamato Compressing Sensing Symmetrical Components Weighted Taylor Fourier Multifrequency (CSSC-WTFM). Per testare l’algoritmo si sono valutati l’errore vettoriale totale TVE, l’errore in frequenza FE e l’errore in ROCOF RFE. Dal CSSC-WTFM si sono ottenuti risultati migliori rispetto al CS3-WTFM in condizioni caratterizzate da forte rumore e modulazione di ampiezza e fase della componente fondamentale, a fronte di un leggero aumento del carico computazionale. L’algoritmo è stato sviluppato in MATLAB e si sono proposte due implementazioni con diverso onere computazionale. È stato svolto anche un confronto tra le finestre Kaiser e DPSS per verificare le conseguenze di piccole approssimazioni nel calcolo dei pesi della finestra. La DPSS ha introdotto forti miglioramenti nei test di modulazione e nella reiezione al rumore per condizioni non estreme.