Determinação da contribuição harmônica em pontos de acoplamento comum de microrredes: uma abordagem baseada em aprendizado de máquina
| Ano de defesa: | 2025 |
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| Tipo de documento: | Dissertação |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
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Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos |
| Programa de Pós-Graduação: |
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica - PPGEE
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| 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. |
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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 |
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