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Analysis and modelling of radio frequency interferences induced by electric arc discharges in high voltage substations

Au, Minh (2016). Analysis and modelling of radio frequency interferences induced by electric arc discharges in high voltage substations. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In the context of the next generation of electric grids, called smart grids, the use of modern and advanced communication systems in high-voltage substations can significantly improve the efficiency, reliability and safety of the electric power grid. Indeed, the deployment of intelligent sensor networks allows for the development of a more efficient, rapid, and automated remote monitoring, control and diagnosis in major pieces of high-voltage equipment in substations: current, potential, and power transformers, circuit breakers, and high-voltage disconnectors. Wireless sensor networks offer significant benefits in this area. Unfortunately, high-voltage substations are harsh and hostile environments whose wireless communication systems can be interfered to such an extent as to render their performances severely degraded. This work consists of the identification, characterization, and modelling of electromagnetic interférences in substations for the deployment of wireless sensor networks.

In the first part, we propose a radio frequency measurement setup for electromagnetic interférences identification and characterization in the frequency range of 800 MHz to 5 GHz in substations. The majority of interference sources comes from radiations caused by partial discharges. The induced signals are characterized by strong transient impulses whose such events follow a cyclostationary process. Next, a characterization process is proposed, by which physical characteristics of partial discharge can be measured in terms of first- and second-order statistics.

In the second part, we investigate the modelling of electromagnetic interferences caused by partial discharge sources. First, we propose complete and coherent approach model that links physical characteristics of high-voltage installations to the induced radio-interference spectra of partial discharge sources. The goodness-of-fit of the proposed physical model has been measured based on some interesting statistical metrics. This allows us to assess the effectiveness of our approach in terms of first- and second-order statistics.

Finally, a generalized radio-noise model for substations is proposed, in which there are many discharges sources that are randomly distributed over space and time according to the Poisson field of interferers approach. This allows for the identification of some interesting statistical properties of moments, cumulants and probability distributions. These can, in turn, be utilized in signal processing algorithms for rapid partial discharge’s identification, localization, and impulsive noise mitigation techniques in wireless communications in substations.

Titre traduit

Analyse et modélisation des sources d'interférences RF induites par les décharges électriques dans les postes à haute-tension

Résumé traduit

Dans le contexte général des réseaux électrique intelligent (smart grid), l’utilisation des systèmes de communication analogique et/ou numérique avancés dans les postes à haute-tension permet d’améliorer significativement, l’efficacité, la qualité et la sécurité du réseau électrique. En effet, le déploiement d’un réseau de capteurs intelligents permet l’émergence d’outils de diagnostique, de décision et de contrôle, plus performants, à la fois, rapides et automatisés sur les équipements majeurs des postes tel que les transformateurs de courant, de tension et de puissance, les disjoncteurs et sectionneurs. Les capteurs sans fil offrent un énorme potentiel dans ce domaine. Cependant, les environnements des postes sont sujet à de fortes perturbations électromagnétiques qui affectent ostensiblement les performances des communications sans fil. Ce projet de recherche consiste à identifier, analyser, caractériser et modéliser les interférences électromagnétiques dans les postes à haute-tension avec l’optique de déployer des réseaux de communication sans fil.

Dans une première partie, nous proposons un protocole de mesure radio fréquence afin d’identifier et de caractériser les sources d’interférences électromagnétiques sur une bande de fréquence allant de 800 MHz à 5 GHz dans les postes à haute-tension. Les sources majeures de perturbations sont les irradiations causées par les décharges partielles. Les signaux induits sont caractérisés par de fortes impulsions transitoires et les occurrences ont la particularité d’être cyclostationnaire. Ensuite, nous proposons une méthode de caractérisation permettant de mesurer les caractéristiques physiques des signaux émis par les décharges en termes de statistiques du premier- et du second-ordre.

Dans une seconde partie, nous étudions la modélisation des sources d’interférences électromagnétiques induites par les décharges partielles. Dans un premier temps, nous proposons un modèle complet et cohérent qui lie les caractéristiques physiques des équipements haute tension au spectre radio fréquence des sources de bruit impulsif. En utilisant des métriques statistiques de validation, nous avons pu mesurer la qualité de l’ajustement permettant, ainsi, de valider le modèle en termes de statistiques du premier- et du second-ordre.

Enfin, nous proposons un modèle généralisé lorsque plusieurs sources de décharges partielles ont lieu dans l’espace et dans le temps. En se basant sur un champ d’interférences de Poisson dans l’espace et le temps, nous dégageons certaines propriétés statistiques intéressantes sur les moments, les cumulants et les principales distributions de probabilités. Ceux-ci peuvent, à leur tour, être utilisés dans les algorithmes de traitement du signal pour l’identification rapide des décharges partielles, de la localisation, et des techniques d’atténuation du bruit impulsif pour les communications sans fil dans les postes.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 165-177.
Mots-clés libres: Brouillage électromagnétique Mesure. Brouillage électromagnétique Modèles mathématiques. Postes de réseau électrique. Électricité Distribution Haute tension. Radiofréquences Mesure. Décharges électriques. Transmission sans fil. Réseaux électriques intelligents. bruit, impulsif, décharge partielle, caractérisation, modélisation, poste à haute tension, interférences électromagnétiques
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Gagnon, François
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Agba, Basile L.
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 13 juin 2016 13:17
Dernière modification: 10 déc. 2016 17:09
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1672

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