Determinação da contribuição harmônica em pontos de acoplamento comum de microrredes: uma abordagem baseada em aprendizado de máquina

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Mella, Matheus Clementino de
Orientador(a): Fernandes, Ricardo Augusto Souza lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica - PPGEE
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://hdl.handle.net/20.500.14289/22094
Resumo: The increasing integration of nonlinear loads and distributed energy resources in microgrids (MG) has raised the levels of harmonic distortions in distribution feeders. Identifying the origin of these distortions, whether from the MG or the utility’s medium-voltage network, is essential for managing the quality of electrical power. In this context, this project proposed a machine learning-based approach to identify the side responsible for the location of harmonic sources in electrical distribution systems, determining whether the main contribution to the distortions occurs on the utility side or the MG side. For this, Random Forest and XGBoost classifiers were used. The F1-score was adopted as the evaluation metric because it combines precision and recall metrics, providing a balanced view of the model’s performance, especially in scenarios where there is class imbalance. The methodology was validated through simulations on the IEEE 34-bus feeder using the ATP software, with harmonic sources such as 6 and 12-pulse rectifiers, SFC, DC motor drive, and TCR, located on the utility side or the microgrid side, with each simulation considering only one harmonic source. The generated dataset was used to train and validate the models, which achieved F1-scores above 99%, showing high precision in identifying the predominant side in harmonic distortions. However, the F1-score decreased as the distance between the source and the PAC increased due to harmonic distortion attenuation. Nevertheless, both models maintained F1-scores above 97% for distances greater than 40 km, demonstrating the robustness of the models. The entire process, including scenario definition, simulation execution, dataset structuring, and machine learning pipeline implementation, was automated in Python. The Optuna library was used to optimize the models by continuously adjusting the classifiers’ parameters. The methodology proved effective in identifying the side responsible for harmonic distortions, with robust performance even in large-distance scenarios. The results indicate that the approach is useful in the simulated scenario, considering the location of one harmonic load at a time, allowing a clear analysis of the location of harmonic sources in the distribution system.
id SCAR_f6fa360321356227d72c81c4e41cd0a4
oai_identifier_str oai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/22094
network_acronym_str SCAR
network_name_str Repositório Institucional da UFSCAR
repository_id_str
spelling Mella, Matheus Clementino deFernandes, Ricardo Augusto Souzahttp://lattes.cnpq.br/0880243208789454http://lattes.cnpq.br/1572035295711262https://orcid.org/0009-0002-1952-5459https://orcid.org/0000-0003-2361-65052025-05-21T14:07:10Z2025-02-19MELLA, Matheus Clementino de. Determinação da contribuição harmônica em pontos de acoplamento comum de microrredes: uma abordagem baseada em aprendizado de máquina. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/22094.https://hdl.handle.net/20.500.14289/22094The increasing integration of nonlinear loads and distributed energy resources in microgrids (MG) has raised the levels of harmonic distortions in distribution feeders. Identifying the origin of these distortions, whether from the MG or the utility’s medium-voltage network, is essential for managing the quality of electrical power. In this context, this project proposed a machine learning-based approach to identify the side responsible for the location of harmonic sources in electrical distribution systems, determining whether the main contribution to the distortions occurs on the utility side or the MG side. For this, Random Forest and XGBoost classifiers were used. The F1-score was adopted as the evaluation metric because it combines precision and recall metrics, providing a balanced view of the model’s performance, especially in scenarios where there is class imbalance. The methodology was validated through simulations on the IEEE 34-bus feeder using the ATP software, with harmonic sources such as 6 and 12-pulse rectifiers, SFC, DC motor drive, and TCR, located on the utility side or the microgrid side, with each simulation considering only one harmonic source. The generated dataset was used to train and validate the models, which achieved F1-scores above 99%, showing high precision in identifying the predominant side in harmonic distortions. However, the F1-score decreased as the distance between the source and the PAC increased due to harmonic distortion attenuation. Nevertheless, both models maintained F1-scores above 97% for distances greater than 40 km, demonstrating the robustness of the models. The entire process, including scenario definition, simulation execution, dataset structuring, and machine learning pipeline implementation, was automated in Python. The Optuna library was used to optimize the models by continuously adjusting the classifiers’ parameters. The methodology proved effective in identifying the side responsible for harmonic distortions, with robust performance even in large-distance scenarios. The results indicate that the approach is useful in the simulated scenario, considering the location of one harmonic load at a time, allowing a clear analysis of the location of harmonic sources in the distribution system.A crescente integração de cargas não lineares e recursos distribuídos de energia em microrredes (MR) tem incrementado os níveis de distorções harmônicas nos alimentadores de distribuição. A identificação da origem dessas distorções, seja da MR ou da rede de média tensão da concessionária, é essencial para a gestão da qualidade da energia elétrica. Nesse sentido, este projeto propôs uma abordagem baseada em aprendizado de máquina para identificar o lado responsável pela localização das fontes harmônicas em sistemas de distribuição de energia elétrica, determinando se a contribuição principal para as distorções ocorre no lado da concessionária ou da MR. Para isso, foram usados os classificadores Random Forest e XGBoost. O F1-score foi adotado como métrica de avaliação, pois combina as métricas de precisão e recall, fornecendo uma visão equilibrada do desempenho do modelo, especialmente em cenários onde há desequilíbrio entre as classes. A metodologia foi validada por simulações no alimentador IEEE 34 barras, utilizando o software ATP, com fontes harmônicas como retificadores de 6 e 12 pulsos, Static Frequency Converter (SFC), drive de motor CC e Thyristor-controlled Reactor (TCR), localizadas no lado da concessionária ou da microrrede, sendo que cada simulação considerou apenas uma fonte harmônica. A base de dados gerada foi utilizada para treinar e validar os modelos, que atingiram F1-scores superiores a 99%, mostrando alta precisão na identificação do lado predominante nas distorções harmônicas. No entanto, o F1-score diminuiu conforme a distância entre a fonte e o Ponto de Acoplamento Comum (PAC) aumentava, devido à atenuação das distorções harmônicas. Mesmo assim, ambos os modelos mantiveram F1-scores acima de 97% para distâncias superiores a 40 km, evidenciando a robustez dos modelos. Todo o processo, incluindo a definição dos cenários, execução das simulações, estruturação da base de dados e implementação do pipeline de aprendizado de máquina, foi automatizado em Python. A biblioteca Optuna foi utilizada para otimizar os modelos, ajustando continuamente os parâmetros dos classificadores. A metodologia se mostrou eficaz para identificar o lado responsável pelas distorções harmônicas, com desempenho robusto mesmo em cenários de grandes distâncias. Os resultados indicam que a abordagem é útil no cenário simulado, considerando a localização de uma carga harmônica por vez, o que permitiu uma análise clara da localização das fontes harmônicas no sistema de distribuição.porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica - PPGEEUFSCarAttribution 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessAprendizado de máquinaContribuição harmônicaDistorção harmônicaQualidade da energia elétricaSistemas de distribuição de energiaMachine learningHarmonic contributionHarmonic distortionPower qualityPower distribution systemsENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::SISTEMAS ELETRICOS DE POTENCIADeterminação da contribuição harmônica em pontos de acoplamento comum de microrredes: uma abordagem baseada em aprendizado de máquinaHarmonic contribution determination in microgrids’ point of common coupling: a machine learning-based approachinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALDissertação_Matheus_PPGEE.pdfDissertação_Matheus_PPGEE.pdfapplication/pdf4498560https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/65c19a93-20fd-456d-906e-eb4013b1638b/download61df230ac6fe76665fe7e0d413a81871MD51trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-81025https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/3a24ecae-64e9-4260-8467-810e26abfa66/download5a033ee506f3a0a175bee8fc81f0bd66MD52falseAnonymousREADTEXTDissertação_Matheus_PPGEE.pdf.txtDissertação_Matheus_PPGEE.pdf.txtExtracted texttext/plain103723https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/a79c9289-8671-48f4-aec3-19cb3c1af203/download96ae3daa9ae87ac37e69e2c0a132c3afMD53falseAnonymousREADTHUMBNAILDissertação_Matheus_PPGEE.pdf.jpgDissertação_Matheus_PPGEE.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg4433https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/a76cf756-d491-45f8-b76e-a5a79a409ee0/download6c83e3639252ead3cf4fb479cb2d151cMD54falseAnonymousREAD20.500.14289/220942025-05-22 00:02:38.864http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/Attribution 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/22094https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-05-22T03:02:38Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
dc.title.por.fl_str_mv Determinação da contribuição harmônica em pontos de acoplamento comum de microrredes: uma abordagem baseada em aprendizado de máquina
dc.title.alternative.eng.fl_str_mv Harmonic contribution determination in microgrids’ point of common coupling: a machine learning-based approach
title Determinação da contribuição harmônica em pontos de acoplamento comum de microrredes: uma abordagem baseada em aprendizado de máquina
spellingShingle Determinação da contribuição harmônica em pontos de acoplamento comum de microrredes: uma abordagem baseada em aprendizado de máquina
Mella, Matheus Clementino de
Aprendizado de máquina
Contribuição harmônica
Distorção harmônica
Qualidade da energia elétrica
Sistemas de distribuição de energia
Machine learning
Harmonic contribution
Harmonic distortion
Power quality
Power distribution systems
ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::SISTEMAS ELETRICOS DE POTENCIA
title_short Determinação da contribuição harmônica em pontos de acoplamento comum de microrredes: uma abordagem baseada em aprendizado de máquina
title_full Determinação da contribuição harmônica em pontos de acoplamento comum de microrredes: uma abordagem baseada em aprendizado de máquina
title_fullStr Determinação da contribuição harmônica em pontos de acoplamento comum de microrredes: uma abordagem baseada em aprendizado de máquina
title_full_unstemmed Determinação da contribuição harmônica em pontos de acoplamento comum de microrredes: uma abordagem baseada em aprendizado de máquina
title_sort Determinação da contribuição harmônica em pontos de acoplamento comum de microrredes: uma abordagem baseada em aprendizado de máquina
author Mella, Matheus Clementino de
author_facet Mella, Matheus Clementino de
author_role author
dc.contributor.authorlattes.none.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/1572035295711262
dc.contributor.authororcid.none.fl_str_mv https://orcid.org/0009-0002-1952-5459
dc.contributor.advisor1orcid.none.fl_str_mv https://orcid.org/0000-0003-2361-6505
dc.contributor.author.fl_str_mv Mella, Matheus Clementino de
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Fernandes, Ricardo Augusto Souza
dc.contributor.advisor1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/0880243208789454
contributor_str_mv Fernandes, Ricardo Augusto Souza
dc.subject.por.fl_str_mv Aprendizado de máquina
Contribuição harmônica
Distorção harmônica
Qualidade da energia elétrica
Sistemas de distribuição de energia
topic Aprendizado de máquina
Contribuição harmônica
Distorção harmônica
Qualidade da energia elétrica
Sistemas de distribuição de energia
Machine learning
Harmonic contribution
Harmonic distortion
Power quality
Power distribution systems
ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::SISTEMAS ELETRICOS DE POTENCIA
dc.subject.eng.fl_str_mv Machine learning
Harmonic contribution
Harmonic distortion
Power quality
Power distribution systems
dc.subject.cnpq.fl_str_mv ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::SISTEMAS ELETRICOS DE POTENCIA
description The increasing integration of nonlinear loads and distributed energy resources in microgrids (MG) has raised the levels of harmonic distortions in distribution feeders. Identifying the origin of these distortions, whether from the MG or the utility’s medium-voltage network, is essential for managing the quality of electrical power. In this context, this project proposed a machine learning-based approach to identify the side responsible for the location of harmonic sources in electrical distribution systems, determining whether the main contribution to the distortions occurs on the utility side or the MG side. For this, Random Forest and XGBoost classifiers were used. The F1-score was adopted as the evaluation metric because it combines precision and recall metrics, providing a balanced view of the model’s performance, especially in scenarios where there is class imbalance. The methodology was validated through simulations on the IEEE 34-bus feeder using the ATP software, with harmonic sources such as 6 and 12-pulse rectifiers, SFC, DC motor drive, and TCR, located on the utility side or the microgrid side, with each simulation considering only one harmonic source. The generated dataset was used to train and validate the models, which achieved F1-scores above 99%, showing high precision in identifying the predominant side in harmonic distortions. However, the F1-score decreased as the distance between the source and the PAC increased due to harmonic distortion attenuation. Nevertheless, both models maintained F1-scores above 97% for distances greater than 40 km, demonstrating the robustness of the models. The entire process, including scenario definition, simulation execution, dataset structuring, and machine learning pipeline implementation, was automated in Python. The Optuna library was used to optimize the models by continuously adjusting the classifiers’ parameters. The methodology proved effective in identifying the side responsible for harmonic distortions, with robust performance even in large-distance scenarios. The results indicate that the approach is useful in the simulated scenario, considering the location of one harmonic load at a time, allowing a clear analysis of the location of harmonic sources in the distribution system.
publishDate 2025
dc.date.accessioned.fl_str_mv 2025-05-21T14:07:10Z
dc.date.issued.fl_str_mv 2025-02-19
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.citation.fl_str_mv MELLA, Matheus Clementino de. Determinação da contribuição harmônica em pontos de acoplamento comum de microrredes: uma abordagem baseada em aprendizado de máquina. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/22094.
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://hdl.handle.net/20.500.14289/22094
identifier_str_mv MELLA, Matheus Clementino de. Determinação da contribuição harmônica em pontos de acoplamento comum de microrredes: uma abordagem baseada em aprendizado de máquina. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/22094.
url https://hdl.handle.net/20.500.14289/22094
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv Attribution 3.0 Brazil
http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv Attribution 3.0 Brazil
http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
dc.publisher.program.fl_str_mv Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica - PPGEE
dc.publisher.initials.fl_str_mv UFSCar
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UFSCAR
instname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron:UFSCAR
instname_str Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron_str UFSCAR
institution UFSCAR
reponame_str Repositório Institucional da UFSCAR
collection Repositório Institucional da UFSCAR
bitstream.url.fl_str_mv https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/65c19a93-20fd-456d-906e-eb4013b1638b/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/3a24ecae-64e9-4260-8467-810e26abfa66/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/a79c9289-8671-48f4-aec3-19cb3c1af203/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/a76cf756-d491-45f8-b76e-a5a79a409ee0/download
bitstream.checksum.fl_str_mv 61df230ac6fe76665fe7e0d413a81871
5a033ee506f3a0a175bee8fc81f0bd66
96ae3daa9ae87ac37e69e2c0a132c3af
6c83e3639252ead3cf4fb479cb2d151c
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
MD5
MD5
MD5
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
repository.mail.fl_str_mv repositorio.sibi@ufscar.br
_version_ 1851688752262414336