Optimal PMU placement in active distribution networks
Authors:   , Ivanova Anzhelika 
Published: July 2024

(English) The smart grid concept in distribution networks has risen due to the ICT trend, with the transformation of the network into an active one, incorporating many different smart grid technologies. One of the main components that can allow this to happen is the monitoring system that includes measurement devices, sensors and automation. Due to the topological and electrical characteristics of the distribution networks, the need to reduce costs presents an issue and sensors and automation devices cannot be placed at each point of the network. This causes the network to have unmonitored parts, which leads to the need to optimize the placement of sensors (Phasor Measurement Units) and perform state estimation to ensure the most optimal monitoring and control scheme.
The placement of measurement devices such as the PMUs, improves observability and controllability of the distribution network and enables new features of grid operation. These new features should make the network resilient so that the service disruption for the end users after a contingency event is minimized as much as possible. This can be achieved through two main methods, network reconfiguration by modifying the electricity path to isolate the faulty line or equipment, or by allowing islanded/disconnected operation of some parts of the network. The distributed generation aids the islanded operation by providing the needed power supply in the islanded parts of the distribution network.
Another important aspect for the Distribution System Operators when reconfiguring the grid to deal with faults is to maintain observability of the network. This means that in following an intentional islanding process, it is important to have monitoring devices in each island, so that the operators do not lose the monitoring and controlling capabilities within the created islands.
The approach to solve the previously explained problems depends on the type of distribution network. These can vary in topology depending on the voltage level. Medium voltage distribution networks have predominantly weakly-meshed structures that can be operated in radial mode, whereas low voltage distribution networks have radial structures. This difference in topologies means two different research directions. Therefore, the research in this thesis focuses on the medium-voltage distribution networks.
The presented seemingly different problems are strongly interconnected within an active distribution network. As part of this work, the lack of an integrated approach to solving these complex problems has been identified, especially within medium-voltage networks. Therefore, the main contribution of this thesis is to present integrated approaches to solving these problems by: analysing the different solution techniques and testing the relevant ones on the chosen networks, developing processes to assess the interdependence of the different solution techniques and developing a new tool that helps the intentional islanding process after a fault that takes into account the observability of the formed islands.
(Español) El concepto de redes eléctricas inteligentes en las redes de distribución ha ido en aumento debido a la rápida integración y desarrollo de las TIC, que han conllevado la transformación de la red eléctrica en una red activa, incorporando diferentes tecnologías innovadoras. Uno de los principales componentes que pueden permitir que esto suceda es el sistema de monitorización que incluye dispositivos de medición, sensores y automatización. Debido a las características topológicas y eléctricas de las redes de distribución y, a la necesidad de mantener los gastos controlados, se genera un reto puesto que y no se pueden colocar sensores y dispositivos de automatización en cada punto de la red. Esto hace que la red tenga partes no monitorizadas, lo que lleva a la necesidad de optimizar la ubicación de los sensores (unidades de medición fasorial - PMUs) y realizar una estimación del estado para garantizar el esquema de control y monitorización óptimo. La tesis presenta un metodo de estimación de estados y de localización óptima de los PMUs.
La colocación de dispositivos de medición, como las PMUs, mejora la observabilidad y controlabilidad de la red de distribución y permite nuevas funciones de operación de la red. Estas nuevas características deberían hacer que la red sea resistente para que la interrupción del servicio para los usuarios finales después de un evento de contingencia se minimice tanto como sea posible. Esto se puede lograr a través de dos métodos principales, la reconfiguración de la red modificando la ruta de la electricidad para aislar la línea o el equipo defectuoso, o permitiendo el funcionamiento en isla de algunas partes de la red. La generación distribuida ayuda a la operación en isla proporcionando el suministro de energía necesaria en las partes aisladas de la red de distribución.
Otro aspecto importante para los gestores del sistema de distribución al reconfigurar la red para hacer frente a fallas es mantener la observabilidad de la red. Esto significa que al seguir un proceso de aislamiento intencional, es importante tener dispositivos de monitorización en cada isla, para que los operadores no pierdan las capacidades de observación y control dentro de las islas creadas.
El enfoque para resolver los problemas explicados anteriormente depende del tipo de red de distribución. Estos pueden variar en topología dependiendo del nivel de voltaje. Las redes de distribución de media tensión tienen predominantemente estructuras de malla débil que pueden operar en modo radial, mientras que las redes de distribución de baja tensión tienen estructuras radiales. Esta diferencia en las topologías significa dos direcciones de investigación diferentes. Por ello, la investigación de esta tesis se centra en las redes de distribución de media tensión.
Los problemas aparentemente diferentes presentados están fuertemente interconectados dentro de una red de distribución activa. Como parte de este trabajo, se ha identificado la falta de un enfoque integrado para resolver estos problemas complejos, especialmente dentro de las redes de media tensión. Por lo tanto, la principal contribución de esta tesis es presentar enfoques integrados para resolver estos problemas: analizando las diferentes técnicas de solución y probando las relevantes en las redes elegidas, desarrollando procesos para evaluar la independencia de las diferentes técnicas presentadasy desarrollando una nueva herramienta. que ayuda al proceso de formación de islas intencionales después de una falla que tiene en cuenta la observabilidad de las islas formadas.