Metodología para la detección y clasificación en tiempo real de muescas de tensión

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Universidad Distrital Francisco José de Caldas

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Resumen

Voltage notches, characterized by short-duration, periodic deviations in voltage waveforms often accompanied by high-frequency oscillations, represent a critical yet understudied type of Power Quality Disturbance (PQD) prevalent in industrial low-voltage networks. Caused by the normal operation of line-commutated power converters, these disturbances can trigger resonances, cause equipment malfunction, and accelerate aging, leading to significant economic losses. This thesis proposes and validates a novel methodology for real-time detection, classification, and severity assessment of voltage notches, addressing substantial gaps identified through a comprehensive literature review. A systematic review revealed that existing approaches offer limited focus on both non-oscillatory and oscillatory notches and lack robust, computationally efficient detection and classification methods. To overcome these limitations, a flexible MATLAB/Simulink-based simulation platform was developed to synthetically generate voltage and current waveforms associated with commutation notches. By systematically varying parameters such as short-circuit power, firing angle, snubber circuits, and background voltage unbalance and distortion, the platform generates realistic signals validated against field measurements, thereby providing a solid foundation for the development of the methodology. The novel methodology integrates the Space Phasor Model (SPM) and Fourier Descriptors (FDs) within a deep autoencoder framework, trained exclusively on notch-containing signals. FDs are computed from the SPM of voltage and current, and characteristic FDs, derived from pulse rectifier harmonic theory, are identified as reliable spectral signatures for notch detection. A novel anomaly detection strategy, based on autoencoder reconstruction errors (where notch signals exhibit low reconstruction error and non-notch signals yield higher error), yields over 99% accuracy on simulated data and 96% on field measurements. Subtype classification (non-oscillatory vs. oscillatory) is performed using a linear support vector machine trained in the autoencoder’s latent space, achieving over 97% accuracy. Severity assessment is performed using physically interpretable indices derived from the SPM radius reconstructed exclusively with characteristic FDs (“notch-only” SPM), allowing classification into mild, moderate, significant, or severe categories. These insights support targeted mitigation strategies. Finally, real-time performance evaluations confirm that the comprehensive detection, classification, and severity assessment pipeline consistently operates within a single power frequency cycle, even at high sampling rates, demonstrating the methodology’s suitability for embedded or edge-computing applications. Overall, this thesis significantly advances PQD analysis by delivering a robust, interpretable, and computationally efficient framework for voltage notch detection and classification.

Descripción

Las muescas de tensión, caracterizadas por desviaciones periódicas de corta duración en las formas de onda de tensión, a menudo acompañadas de oscilaciones de alta frecuencia, representan un tipo crítico, aunque poco estudiado, de perturbación de la calidad de la potencia eléctrica, frecuente en redes industriales de baja tensión. Estas perturbaciones, causadas por la operación normal de convertidores de potencia conmutados por línea, pueden inducir resonancias, provocar fallos en los equipos y acelerar su envejecimiento, resultando en pérdidas económicas significativas. Esta tesis propone y valida una metodología novedosa para la detección, clasificación y evaluación de severidad de muescas de tensión en tiempo real, abordando vacíos identificados mediante una revisión exhaustiva de la literatura. Una revisión sistemática reveló que los métodos actuales prestan poca atención a las muescas, tanto en su variante no oscilatoria como oscilatoria, y carecen de técnicas robustas y computacionalmente eficientes para su detección y clasificación. Para superar estas limitaciones, se desarrolló una plataforma de simulación en MATLAB/Simulink que genera sintéticamente formas de onda de tensión y corriente correspondientes a eventos de conmutación. Al variar sistemáticamente parámetros clave como la potencia de cortocircuito, el ángulo de disparo, los circuitos snubber, así como el desbalance y distorsión de fondo de la tensión, esta plataforma produce señales realistas validadas con mediciones de campo, proporcionando así una base sólida para el desarrollo metodológico. La metodología propuesta integra el Modelo del Espacio Fasorial (SPM, por sus siglas en inglés) y los Descriptores de Fourier (FDs) en un marco basado en un autoencoder profundo, entrenado exclusivamente con señales que contienen muescas. Los FDs se calculan a partir del SPM de tensión y corriente, y se identifican descriptores característicos, fundamentados en la teoría armónica de rectificadores por pulsos, como firmas espectrales confiables para detectar muescas. Una nueva estrategia de detección de anomalías, basada en los errores de reconstrucción del autoencoder (donde señales con muescas producen errores bajos y señales sin muescas generan errores más altos), alcanza una precisión superior al 99% en datos simulados y del 96% en mediciones de campo. La clasificación de subtipos (no oscilatorias frente a oscilatorias) se realiza mediante una máquina de vectores de soporte lineal entrenada en el espacio latente del autoencoder, logrando precisiones superiores al 97%. La evaluación de severidad se efectúa utilizando índices físicamente interpretables derivados de la magnitud del SPM reconstruido únicamente con FDs característicos (SPM “solo muesca”), facilitando así la clasificación en categorías leve, moderada, significativa o severa. Estos resultados apoyan el diseño de estrategias específicas de mitigación. Finalmente, evaluaciones de rendimiento en tiempo real confirman que el proceso completo de detección, clasificación y evaluación de severidad opera consistentemente dentro de un solo ciclo de frecuencia de red, incluso a altas tasas de muestreo, demostrando la idoneidad del método para aplicaciones embebidas o de computación en el borde. En conjunto, esta tesis representa un avance significativo en el análisis de perturbaciones de calidad de potencia al proporcionar un marco robusto, interpretable y eficiente desde el punto de vista computacional para la detección y clasificación de muescas de tensión.

Palabras clave

Calidad de potencia, Descriptor de Fourier, Inteligencia artificial, Modelo del fasor espacial, Muesca de tensión, Sistema de distribución de energía eléctrica

Materias

Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones -- Tesis y disertaciones académicas , Energía eléctrica -- Calidad , Convertidores de corriente eléctrica , Proceso de señales

Citación