Real-time PMU monitoring of an IEEE 5-Bus Network implemented on OPAL system

This thesis studies the state-of-the-art of phasor measurement units (PMUs) as well as their metrological requirements stated in the IEEE C37.118.1 and C37.118.2 Standards for guaranteeing correct measurement performances. Communication systems among PMUs and their possible applicability in the field of power quality (PQ) assessment are also investigated. This preliminary study is followed by an analysis of the working principle of real-time (RT) simulators and the importance of hardware-in-the-loop (HIL) implementation, examining the possible case studies specific for PMUs, including compliance tests which are one of the most important parts. The core of the thesis is focused on the implementation of a PMU model in the IEEE 5-bus network in Simulink and in the validation of the results using OPAL RT-4510 as a real-time simulator. An initial check allows one to get an idea about the goodness of the results in Simulink, comparing the PMU data with respect to the load-flow steady-state information. In this part, accuracy indices are also calculated for both voltage and current synchrophasors. The following part consists in the implementation of the same code in OPAL-RT 4510 simulator, after which an initial analysis is carried out in a qualitative way in order to get a sense of the goodness of the outcomes. Finally, the confirmation of the results is based on an examination of the attained voltage and current synchrophasors and accuracy indices coming from Simulink models and from OPAL system, using a Matlab script. This work also proposes suggestions for an upcoming operation of PMUs in a more complex system as the Digital Twin (DT) in order to improve the performances of the already-existing protection devices of the distribution system operator (DSO) for a future enhancement of power systems reliability.

Image quality and dose evaluation of filtered back projection versus iterative reconstruction algorithm in multislice computed tomography.

Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso il servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico Sant'Orsola-Malpighi di Bologna. Lo studio si è concentrato sul confronto tra le tecniche di ricostruzione standard (Filtered Back Projection, FBP) e quelle iterative in Tomografia Computerizzata. Il lavoro è stato diviso in due parti: nella prima è stata analizzata la qualità delle immagini acquisite con una CT multislice (iCT 128, sistema Philips) utilizzando sia l'algoritmo FBP sia quello iterativo (nel nostro caso iDose4). Per valutare la qualità delle immagini sono stati analizzati i seguenti parametri: il Noise Power Spectrum (NPS), la Modulation Transfer Function (MTF) e il rapporto contrasto-rumore (CNR). Le prime due grandezze sono state studiate effettuando misure su un fantoccio fornito dalla ditta costruttrice, che simulava la parte body e la parte head, con due cilindri di 32 e 20 cm rispettivamente. Le misure confermano la riduzione del rumore ma in maniera differente per i diversi filtri di convoluzione utilizzati. Lo studio dell'MTF invece ha rivelato che l'utilizzo delle tecniche standard e iterative non cambia la risoluzione spaziale; infatti gli andamenti ottenuti sono perfettamente identici (a parte le differenze intrinseche nei filtri di convoluzione), a differenza di quanto dichiarato dalla ditta. Per l'analisi del CNR sono stati utilizzati due fantocci; il primo, chiamato Catphan 600 è il fantoccio utilizzato per caratterizzare i sistemi CT. Il secondo, chiamato Cirs 061 ha al suo interno degli inserti che simulano la presenza di lesioni con densità tipiche del distretto addominale. Lo studio effettuato ha evidenziato che, per entrambi i fantocci, il rapporto contrasto-rumore aumenta se si utilizza la tecnica di ricostruzione iterativa. La seconda parte del lavoro di tesi è stata quella di effettuare una valutazione della riduzione della dose prendendo in considerazione diversi protocolli utilizzati nella pratica clinica, si sono analizzati un alto numero di esami e si sono calcolati i valori medi di CTDI e DLP su un campione di esame con FBP e con iDose4. I risultati mostrano che i valori ricavati con l'utilizzo dell'algoritmo iterativo sono al di sotto dei valori DLR nazionali di riferimento e di quelli che non usano i sistemi iterativi.

Quality controls for the Mu2e electromagnetic calorimeter and R&D studies for the muon capture rate determination

According to the SM, while Lepton Flavour Violation is allowed in the neutral sector, Charged Lepton Flavour Violation (CLFV) processes are forbidden. The Mu2e Experiment at Fermilab will search for the CLFV process of neutrinoless conversion of a muon into an electron within the field of an Al nucleus. The Mu2e detectors and its state-of-the-art superconducting magnetic system are presented, with special focus put to the electromagnetic crystal calorimeter. The calorimeter is composed by two annular disks, each one hosting pure CsI crystals read-out by custom silicon photomultipliers (SiPMs). The SiPMs are amplified by custom electronics (FEE) and are glued to copper holders in group of 2 SiPMs and 2 FEE boards thus forming a crystal Readout Unit. These Readout Units are being tested at the Quality Control (QC) Station, whose design, realization and operations are presented in this work. The QC Station allows to determine the gain, the response and the photon detection efficiency of each unit and to evaluate the dependence of these parameters from the supply voltage and temperature. The station is powered by two remotely-controlled power supplies and monitored thanks to a Slow Control system which is also illustrated in this work. In this thesis, we also demonstrated that the calorimeter can perform its own measurement of the Mu2e normalization factor, i.e. the counting of the 1.8 MeV photon line produced in nuclear muon captures. A specific calorimeter sub-system called CAPHRI, composed by four LYSO crystals with SiPM readout, has been designed and tested. We simulated the capability of this system on performing this task showing that it can get a faster and more reliable measurement of the muon capture rates with respect to the current Mu2e detector dedicated to this measurement. The characterization of energy resolution and response uniformity of the four procured LYSO crystals are llustrated.