I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute r  E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   10 ,   No .   3 ,  J u n e   2020 ,   p p .   2 8 2 4 ~ 2 8 4 1   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 ,  DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v 1 0 i 3 . p p 2 8 2 4 - 2 8 4 1          2824       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m/in d ex . p h p /I JE C E   G eneral i zed opti m a l place m e nt  of  PMUs  cons ideri n g  po w er  sy ste m  obs e rv a bility, co mm unica tio n inf ra str uctu re, a nd  qua lity o f  serv ice   require m e nts       M .   M .   H .   E lro by 1 ,   S.  F .   M ek ha m er 2 ,   H .   E .   A.   T a la a t 3 ,   M .   A.   M o us t a f a .   H a s s a n 4   1 El e c tri c a l  En g in e e rin g   De p a rtm e n t,   F a c u lt y   o f   En g in e e rin g ,   A in   S h a m s Un iv e r sit y ,   Eg y p t   2, 3 El e c tri c a l  En g in e e rin g   De p a r tm e n t,   F u tu re   U n iv e rsity ,   Eg y p t   4 El e c tri c a l  En g in e e rin g   De p a rtm e n t,   Ca ir o   Un iv e rsity ,   Eg y p t       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma r   2 2 ,   2 0 1 9   R ev i s ed   Des   2 ,   2019   A cc ep ted   Des 1 0 ,   2 0 1 9       T h is  p a p e r  p re se n ts  a   g e n e ra li z e d   o p t im a l  p lac e m e n t  o f   P h a so r   M e a su re m e n t   Un it s  ( P M Us )  c o n sid e ri n g   p o w e r  s y ste m   o b se rv a b il it y ,   re li a b il it y ,   Co m m u n ica ti o n   I n f ra stru c tu re   (CI),   a n d   late n c y   ti m e   a ss o c iate d   w i th   t h is  CI.   M o re o v e r ,   th e   e c o n o m ic  stu d y   f o r  a d d it io n a l  n e w   d a ta  tran sm issio n   p a t h s  is  c o n sid e re d   a s  we ll   a s   th e   a v a il a b il it y   o f   p re d e f in e d   lo c a ti o n s  o f   so m e   P M Us   a n d   t h e   p re e x isti n g   c o m m u n ica ti o n   d e v ice s  (CDs )  in   so m e   b u se s.  Tw o   c a se s   f o r  th e   lo c a ti o n   o f   th e   Co n tro l  Ce n ter  B a se   S tatio n   (CCBS )  a re   c o n sid e re d ;   p re d e f in e d   c a se   a n d   f re e   se lec t e d   c a se .   T h e   P M Us   p lac e m e n t  a n d   th e ir   re q u ired   c o m m u n ica ti o n   n e tw o rk   to p o l o g y   a n d   c h a n n e l  c a p a c it y   a re   co - o p t im ize d   si m u lt a n e o u sly .   In   th is  stu d y ,   tw o   d iff e r e n t  a p p r o a c h e s  a re   a p p li e d   t o   o p t im ize   th e   o b jec ti v e   f u n c ti o n ;  t h e   f irst  a p p ro a c h   is   c o m b in e d   f ro m   Bin a ry   P a rti c le  S w a r m   Op ti m iza ti o n - G r a v it a ti o n a l  S e a rc h   A l g o rit h m   (BP S OG S A )  a n d   th e   M in im u m   S p a n n in g   T re e   (M S T )  a lg o rit h m ,   w h il e   th e   se c o n d   a p p r o a c h   is  b a se d   o n ly   o n   BP S OG S A .   T h e   f e a sib il it y   of   th e   p ro p o se d   a p p ro a c h e s  a re   e x a m in e d   b y   a p p l y in g   it   to   IEE E  1 4 - b u s  a n d   IEE E  1 1 8 - b u s sy ste m s.   K ey w o r d s :   B in a r y   p ar ticle  s w ar m   o p tim izatio n   C o m m u n ica tio n   i n f r a s tr u ct u r e   E co n o m ic  s t u d y   f o r   th e  ad d iti o n  n e w   d ata  tr an s m i s s io n   p ath s   Gr av itatio n al  s ea r ch   al g o r ith m   L ate n c y   t i m e   Min i m u m   s p an n in g   tr ee   Ob s er v ab ilit y   P h aso r   m ea s u r e m e n t u n it   R eliab ilit y   Co p y rig h t  ©   2 0 2 0   In stit u te o f  A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .    Al l  rig h ts re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   M.   M.   H.   E lr o b y ,    E lectr ical  E n g i n ee r i n g   Dep ar t m en t,  Facu l t y   o f   E n g in ee r i n g ,    A i n   S h a m s   U n i v er s it y ,   E g y p t.   E m ail:  m o u s ae lr o b y @ y a h o o . co m       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  P h aso r   Me as u r e m e n t  Un its   h as   t h e  ab ilit y   to   p r o v id e  s y n c h r o n ized   p h aso r   m ea s u r e m en ts   o f   v o ltag e  a n d   cu r r en t s ,   th a t  d is ti n g u i s h i n g   it  f r o m   all  o t h er   m e ter in g   d e v ices.  I t  h a s   b ee n   p er ce iv ed   th at  P MU s   h o ld   th e  ca p ab ilit y   o f   r ev o lu t io n izin g   t h e  w a y   o f   p o w er   s y s te m   m o n ito r in g   a n d   co n tr o l  [ 1 ] .   I n   co n tr ar y   to   R e m o te  T er m in al  U n it  ( R T U) ,   th e  o u tp u t  s a m p le  r ate  o f   P MU s   is   h ig h   an d   m a y   v ar y   f r o m   1   to   1 2 0   s am p le s   p er   s ec o n d   w it h   s y n c h r o n izati o n   ac cu r ac y   le s s   th a n   1   μ s   a n d   m a x i m u m   to tal  v ec to r   er r o r   o f   ab o u t   1 %   [ 2 ] .   B ec au s e  o f   th i s   h i g h   s a m p l i n g   r ate,   P MU s   p r o v id e  lar g e  a m o u n ts   o f   d ata;  an d   co n s e q u en tl y ,   th e y   n ee d   m o d er n   co m m u n icatio n   s y s te m s   w it h   m ed iu m   to   h i g h   b a n d w id th   i n   o r d er   to   tr an s m it   th eir   d ata.   Ma in l y ,   th e  co m m u n icatio n   m ed ia  o f   th e  p o w er   g r id   h as  b ee n   d iv i d ed   in to   t w o   g r o u p s ;  o w n ed   an d   u n o w n ed   o n e s .   T h e  f ir s t  g r o u p   i s   a  p ar t  o f   p o w er   s y s te m   ele m e n ts ,   i.e . ,   p o w er   li n e  co m m u n icat io n ,   Op tical  P o w er   Gr o u n d   w ir e  ( OP GW ) ,   an d   m icr o w av e  co m m u n icatio n   m ed ia.   W h i le,     th e  later   d id n ’ t  d ep en d   o n   th e  p o w er   s y s te m   an d   m a y   b e  o f   th e  t y p e  a v ai lab le  to   all  u s er s   as  an   o p en   ac ce s s   m ed ia  o r   th o s e  o w n ed   b y   d ata  s er v ice   p r o v id in g   co m p an ies  ( s u c h   a s   leased   li n e,   d ed icate d   d ata  l i n k s ,   a n d   s atellite s )   [ 3 ] .   C I   s h o u ld   b e  estab lis h ed   i n   th e  en tire   s y s te m   f o r   th e  p u r p o s e  o f   h ig h   b an d w id t h   d ata  d eliv er y   an d   tr an s m is s io n .   T h e  tr an s m is s io n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Gen era liz ed   o p tima l p la ce men t o f P MUs   co n s id e r in g   p o w er sys tem  o b s erva b ilit y   …  ( M.  M.   H.   E lr o b y )   2825   m ed iu m   s h o u ld   s ati s f y   th e  p u r p o s e  o f   h ig h   b a n d w id th   d a ta  an d   o th er   r eq u ir e m e n t  o f   Qu alit y   o f   Ser v ice   ( Qo S).   Ho w e v er ,   h i g h   p er   u n i t   co s t a n d   ch alle n g e s   r elate d   to   its   co m m u n ica tio n   s y s te m   h a v e  m ad e  its   j u d icial  p lace m en t   i n   a n   elec tr ic   g r i d   s ig n i f ica n t  [ 4 ] .   T h e  d ata  g en er ated   b y   P MU s   n ee d s   a   r eliab le  an d   s tab le   co m m u n icatio n   n et w o r k .   T h e  OP GW   is   s elec ted   to   b e  th e  m ed ia  o f   th e  ca s e  s tu d y   b ased   o n   th e  h i g h   ch a n n el   ca p ac it y ,   lo w   late n c y   ti m e,   an d   i m m u n it y   to   e lectr o m ag n et ic  i n ter f er e n ce   [5 - 8] .   W ith   li m ited   a n n u a l   in v e s t m e n ts ,   it   w o u ld   b e  d esir ab le  to   ad d   a  li m ited   n u m b er   o f   P MU s   u n ti l  a  f in a l  g o al  i s   ac h iev ed .   I n itiall y ,   th er e  w ill  n o t  b e  en o u g h   P MU s   to   h av e  a  li n ea r   esti m ato r .   T h e  attem p t  is   to   p lace   th e  P MU s   s o   th at  at  ea ch   s tag e  t h e  s elec tio n   s at is f ies  s o m e  d esig n   cr iter ia  [ 9 ] .   I n   o r d e r   to   o b tain   a  s u f f icien t  a m o u n t   o f   o b s er v ab ilit y   o f   a  p o w er   s y s te m   P MU s ,   i n s tal l atio n   s ite s   ar e  d is p er s ed   o v er   a  w id e  ar ea .   I n   r ec en t   y ea r s ,   m an y   i n v e s ti g ato r s   p r esen ted   d if f er en t  m et h o d s   f o r   f in d in g   t h e  m in i m u m   n u m b er   an d   o p tim al  p lace m e n t  o f   P MU s   w it h   d if f er en t   d eg r ee   o f   o b s er v ab ilit y   [ 1 0 ] .   T h e  ac tu al  s u b p r o b le m   is   th e   is s u e  o f   s eq u en t iall y   ad d in g   P MU s   to   a  s y s te m   s tar tin g   w it h   a  lo w   d eg r ee   o f   o b s er v ab ilit y   a n d   en d in g   w it h   co m p lete  o b s er v ab ilit y   w it h   r ed u n d a n c y .   Gen er all y ,   o b s er v ab il it y   a n a l y s i s   ca n   b e  d o n e  u s in g   e ith er   a  n u m e r ica l  ap p r o ac h   o r   a  to p o lo g ical   ap p r o ac h   [ 1 1 ] .   I n   n u m er ical  o b s er v ab ilit y   a n al y s is ,   f o r   s p ec if ic   ap p licatio n ,   a  n et w o r k   i s   o b s er v ab le  if   -   a n d   o n l y   if   -   it s   m ea s u r e m e n t  g ai n   m atr i x   i s   o f   f u l l  co lu m n   r a n k   [ 1 2 ] .   I n   th is   ap p r o ac h   t h e  o b s e r v ab ilit y   u s u a ll y   is   d er iv ed   f r o m   E n er g y   Ma n ag e m en t  S y s te m   ( E MS)   ap p licatio n s   [ 1 3 ,   1 4 ] .   Ho w e v er ,   f o r   a  lar g e - s ca le  s y s te m ,   th e  co m p u tatio n al  b u r d e n   o f   t h is   ap p r o ac h   is   h ea v y ,   a n d   it  s u ck s   in   t h e  id en t if ica tio n   o f   t h e  r ea l  ze r o   d iag o n al  ele m e n ts   o f   t h e  m atr i x   d u e  to   th e  p o s s ib le  er r o r s   in   r o u n d i n g   n u m b er s .   Mo s t  p ap er s ,   as  a  r esu lt,  h a v e  g o n e   th r o u g h   u s i n g   th e  to p o lo g ical   ap p r o ac h es  to   v er if y   t h e  s y s te m   f u ll  o b s er v a b ili t y   [ 1 5 ] .   On   th e  o t h er   h an d ,   th e  to p o lo g ical  o b s er v ab ilit y   ap p r o ac h   d eter m i n es  n et w o r k   o b s er v ab ilit y   s tr ictl y   b ase d   o n   th e  t y p e  an d   lo ca tio n   o f   m ea s u r e m en t s   in   t h e  en tire   s y s te m .   T h e  to p o lo g ical  o b s er v ab ilit y   an al y s is   u s es  g r ap h   co n ce p ts .     T h e  n et w o r k   is   o b s er v ab le  to p o lo g icall y   i f   -   a n d   o n l y   if   -   a  s p an n i n g   tr ee   ca n   b e  f o u n d   i n   t h e  g r ap h .   R e ad er s   m a y   r e f er   to   [ 1 0 ,   1 6 ,   1 7 ]   f o r   m o r e  d etails  ab o u t  to p o lo g ical  o b s er v ab ilit y   an a l y s is .   S in ce   in   t h e  p o w er   s y s te m s ,   m ea s u r in g   a n d   its   ap p licatio n   lie  w i th i n   t h e  p o w er   s y s te m   s t u d ies,  p o w er   s y s te m   e n g i n ee r s   m ai n l y   f o cu s   o n   t h ese  o b s er v ab ilit y   p r o b le m s   i n   t h eir   r esear c h es.  O n   t h e  o th er   h a n d ,   in   s o m e  r esear c h es,   telec o m m u n icatio n   en g i n ee r s   h a v e  p aid   m o r e  atten t io n   to   co m m u n icat io n   s y s te m s .   As  a  r esu lt,   f e w   r esear ch e s   h a v e  co n s id e r ed   th e  w h o le  d o m ai n s   o f   t h e  o b s er v ab ili t y   an d   C I   co m p r e h e n s i v el y   [ 1 8 ] .   A  n u m b er   o f   li m itatio n s   w h il e  d esig n i n g   a   co m m u n icat io n   s y s te m   g iv e s   r i s e  t o   n ee d   f o r   an   o p ti m al  s o lu tio n   th at  ta k es  i n to   ac co u n t  t h e  Qo S  r eq u ir e m e n ts   s u c h   as  r eliab ilit y ,   d ata  lo ad s ,   laten c y   ti m e,   an d   co n g es tio n   o f   th e  co m m u n icatio n   n et w o r k   [ 1 9 ] .   Ma n y   r esear ch er s   c o n s id er ed   t h e  P MU s   o p ti m i za tio n   p r o b lem   as   a  m i n i m izatio n   o f   th e  P MU s   n u m b er .   T h e  m ain l y   u s ed   o p ti m izatio n   tech n iq u e s   ar e  co n v e n tio n al  s u ch   a s   lin ea r   i n te g er   p r o g r a m i n g   [ 1 5 ,   2 0 – 2 3 ]   o r   m e ta - h e u r is tic   s u c h   as   Ge n etic  Alg o r it h m s   ( G A )   [ 2 4 ,   2 5 ] ,   s im u lated   an n ea l in g   [ 4 ,   1 1 ,   2 6 ] ,   tab u   s ea r ch   [ 2 7 ] ,   an d   b in ar y   p ar ticle  s w ar m   o p t i m izatio n   [ 2 8 ] .   I n   [ 1 4 ] ,   th e  a u th o r   ass u m ed   a  p r e - k n o w n   in s talle d   co m m u n icatio n   in f r astr u ctu r e  f o r   th e  s y s te m   an d   ass ig n ed   a  p en alt y   f ac to r   f o r   th e  ca s e   w h en   a   P MU   is   p l ac ed   at  a  b u s   lack i n g   C I .   I n   o th er   w o r d s ,   in   th i s   ap p r o ac h ,   co m m u n icatio n   in f r astru ct u r e  is   al s o   co n s id er ed   as  a  co n s tr ain t.  I n   [ 1 8 ] ,   th e  m ea s u r e m e n t  a n d   co m m u n ic atio n   in f r astr u ct u r es   w er e  o p ti m al l y   d esi g n ed   u s i n g   th e  G A .   T h e y   f o r m u lated   a n d   o p ti m ized   th i s   p r o b lem   w i th   a  G A   m o d el  i n   b o th   s i m u lta n eo u s   a n d   in d e p en d en t  ap p r o ac h es.  T h e  r e s u lt s   i n d icate   th at   w h ile  th e  to tal  n u m b er   o f   m ea s u r e m e n t  d ev ices  f o r   s y s t e m   o b s er v ab ilit y   m a y   i n cr ea s e  ( an d   th er ef o r e,   th e  o b s er v a b ilit y   is   i m p r o v ed ) ,   th e  to tal  co s t  is   r ed u ce d .   Ho w e v er ,   th e y   d id   n o t  i n tr o d u ce   an y   s p ec i f ic  m et h o d   to   ev a l u ate  t h e  lo ca tio n   o f   th e  C C B S.  I n   ad d itio n ,   t h e  m eter   p lace m e n t  h as  b ee n   ca r r ied   o u t  o n l y   f o r   P MU s   as  m e asu r e m en t  d e v ices.   A l s o ,   th e  a u t h o r s   co n s id er ed   t h at  t h e  co s t  o f   th e  n et w o r k   d e p en d s   o n   t h e  ac cu m u lati v e  le n g t h   o f   th e   OP GW   o n l y ,   a n d   d id   n o t  co n s id er   t h e  allo ca tio n   o f   th e  lin k   ca p ac it y .       Mo r eo v er ,   th e  a u t h o r s   d id   n o t  ta k e  i n to   ac co u n t  t h e  q u alit y   o f   s er v ice  s u c h   as  late n c y   ti m e  o f   t h e  co m m u n icatio n   n et w o r k ,   r eliab ilit y ,   an d   t h e  d eg r ee   o f   th e  o b s er v ab ilit y .   T h er ef o r e,   in   th e  p r o p o s ed   ap p r o ac h es,  th e  p o w er   s y s te m   o b s er v ab il it y ,   C I   r eq u ir em e n ts ,   s y s te m   r eliab ili t y ,   an d   t h e  laten c y   ti m e  ar e  co n s id er ed   in   th e  o b j ec tiv e  f u n c tio n s .   W e  tak e  in to   ac co u n t   th e  p r ed esig n   r eq u ir e m en ts   s u ch   as  p r ed ef i n ed   lo ca tio n s   o f   s o m e  P MU s   a n d   an y   ex is ti n g   C Ds  i n   s o m e  b u s es   an d   C C B S  lo ca tio n .   Fo r   th i s   s t u d y ,   t w o   d i f f er en t  ap p r o ac h e s   ar e  u s ed .   T h e  f ir s t  ap p r o ac h   u s e s   B P SOGS A   to   s ea r ch   th e  b est  lo ca tio n   o f   th e  P MU s   an d   th e  ch an n el  ca p ac it y   o f   t h e  C o m m u n icatio n   L i n k s   ( C L s )   w h ile   th e  co n n ec tio n   to p o lo g y   is   d o n e  u s in g   M ST   alg o r ith m .   T h e  s ec o n d   ap p r o ac h   u s e s   BP SOGS A   to   s ea r ch   th e  b est lo ca tio n   o f   t h e  P MU s ,   th e  ch a n n e l c ap ac it y   o f   C L s ,   an d   th e  co n n ec tio n   to p o lo g y .   T h e  r est  o f   th e  p ap er   is   o r g an ized   as  f o llo w s :  Sect io n   2   d escr ib es  th e  o b s er v ab ilit y   co n s tr ain t.   Sectio n   3   in tr o d u ce   B P SOGS A .   Sectio n   4   d escr ib e  Mi n i m u m   Sp a n n i n g   T r ee .   Sectio n   5   p r esen ts   th e   q u ali t y   o f   s er v ice.   Sectio n   6   p r esen ts   th e  to tal  co s t  ca lc u latio n .   Sectio n   7   p r esen t s   p r o b lem   f o r m u latio n   a n d   i m p le m en ta tio n ,   also   th i s   s ec t io n   d is cu s s   th e  s y s te m s   v ar ia b les  an d   co s t  f ac to r s .   Sectio n   8   d is cu s s   th e  t w o  ap p r o ac h es r esu lts .   Fi n all y ,   co n clu s io n s   ar e  ex tr ac ted   in   Sec t io n   9 .             Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,  No .   3 ,  J u n e  2 0 2 0   :   2 8 2 4   -   2841   2826   2.   O B SE RVAB I L I T Y  CO NS T RAIN T   I n   g e n er al,   g i v en   a  P MU   w it h   u n li m ited   n u m b er   o f   ch a n n els  at  a  b u s ,   b u s   v o lta g e  p h a s o r   an d   all  cu r r en t  p h aso r s   alo n g   li n es  c o n n ec ted   to   th at  b u s   w i ll  b e  a v ailab le.   As  s h o w n   i n   ( 1 )   p r esen t s   o b s er v ab ilit y   co n s tr ain t  i n   g e n er al  f o r m   as   in tr o d u ce d   i n   [ 1 0 ,   1 6 ]   f o r   co m p lete   o b s er v ab ilit y   w it h   a   r eq u ir ed   d eg r ee   o f   r ed u n d an c y   ( W it h o u t  C o n v e n tio n al   Me as u r e m en t s   -   W ith   C o n v en tio n al   Me as u r e m e n ts ) ,   o n e  d ep t h   o f   u n o b s er v ab ilit y   ( W it h o u t  Z er o   I n j ec tio n   Me asu r e m e n t   -   W it h   Z er o   I n j ec tio n   Me asu r e m e n t s ) an d , t w o   d ep t h   o f   u n o b s er v ab ilit y   ( W it h o u t  Z er o   I n j ec tio n   Me asu r e m en t  -   W it h   Z er o   I n j ec tio n   Me as u r e m e n t   ) .     Ob s e r va b il ity   c on s tr a in t :     TX ≥ B   ( 1 )     T   an d   B   ar e    a  m atr ix   a n d   v ec to r   d ep en d   o n     ea ch   ca s e  [ 1 0 ,   1 6 ] .   X   is   th e  P MU s   p lace m e n t  v ar ia b les   X = [ x 1   x 2 … x n ] ,     x i =   { 1                     if     PMU   at   b us   i ,           0                   if   No   PMU   at   b us   i ,         T h e  m i n i m u m   n u m b er   o f   P MU s   ( PM U S m i n )   ca n   b e   f o r m u lated   as  a   p r o b lem   o f   I n te g er   L i n e ar   P r o g r am m i n g   [ 2 9 ]   as sh o w n   i n   th e  f o llo w i n g   eq u a tio n .     PM U S m i n = { min   ∑ x k N k = 1                                                                                                               Sub je c t   to :   Ob s e r va b il ity   c on s tr a in t                     ( 2 )     w h er e   N  is   th e  n u m b er   o f   b u s es       3.   B I NARY   O P T I M I Z A T I O N  USI N G   H YB RID P SO   AN D  G SA   T h e  P SOGSA   is   a  h y b r id   o p ti m izatio n   alg o r it h m ,   co m b i n in g   s tr en g t h s   o f   b o th   P SO  an d   GS A .   T h is   alg o r it h m   p er f o r m s   b o th   P SO  a n d   GS A   i n   ter m s   o f   i m p r o v ed   e x p lo r atio n   a n d   ex p lo itatio n   [ 3 0 ] .   T h is   tech n iq u e  h as  t h e  n at u r e  o f   m eta - h e u r is tic  o p ti m iz atio n   tech n iq u es.   On e  o f   t h e  m ai n   ad v an ta g e  o f   th e s e  tech n iq u es   is   t h at  t h e y   d o   n o t  n ee d   a  f u n ctio n   f o r m u latio n ,   b u t r at h er   n ee d   a  f it n ess   f u n ctio n   o n l y   o r   an y   o t h er   w a y   f o r   d is tin g u is h i n g   th e  r es u lts .   A s   a  r esu lt,  th e  b lack   b o x   p r o b lem   ca n   b e  s o lv ed   u s i n g   th ese  tec h n iq u es.   T h e  B P SOGSA   a lg o r it h m   is   a  b in ar y   v er s io n   o f   h y b r id   P SOGS A .   R ea d er s   m a y   r e f e r   to   [ 3 1 ]   f o r   m o r e   d etailsab o u t th is   al g o r ith m .   Fo r   th e  ab o v e - m en tio n ed   r ea s o n s ,   th is   v er s io n   w i ll b e  u s ed   in   t h is   s t u d y .       4.   M I NI M U M   SPAN NING   T R E E   T h e  v er tices  ( n o d es)  o f   th e  C I   in   a  p o w er   g r id   co r r esp o n d   to   P MU s ,   C Ds,  an d   C C B S,  w h i le   th e  ed g es  co r r esp o n d   to   h ig h - v o lta g e  lin e s   [ 3 2 ]   o r   a  n e w   d ata  tr an s m i s s io n   p ath s .   Dij k s tr a ' s   alg o r it h m ,   co n ce iv ed   b y   Du tc h   co m p u ter   s c ien ti s t  E d s g er   Dij k s tr a  i n   1 9 5 9   [ 3 3 ]   is   a  g r ap h   s ea r ch   alg o r ith m   t h at  s o lv e s   th e  s h o r test   p ath   p r o b le m   f o r   a  g r ap h   w it h   n o n n eg a tiv e   ed g e  [ 3 4 ] .   T h e  Dij k s tr a ’ s   alg o r it h m   i s   u s ed   to   s ea r ch   th e  s h o r t  p ath   i n   t h e  MST   alg o r ith m .   T h e  co m p le te  p s e u d o co d e  f o r   MST   alg o r ith m   i s   s h o w n   i n   Fig u r e  1   Step   3   in   t h is   al g o r it h m   co u ld   b e  m o d i f ied   to   s tar t  w it h   a  h i g h e s t  s h o r t  p ath   a n d   en d   w i th   th e  lo w e s t  s h o r t  p ath .   T h is   m o d if icatio n   is   p r ef er ab le  w h en   s m al l  p r o p ag atio n   tim e  d ela y   is   r eq u ir ed ,   w h er e   th is   m o d i f icatio n   s h r i n k s   t h e  n et w o r k   a n d   r ed u c es  th e   m a x i m u m   p r o p ag atio n   t i m e  d ela y   o f   th e  f ar t h est  s ite.   I n   s tep   4 ,   t h e  n o d e   is   co n n ec ted   w i th   tr ee   t h r o u g h   s w itch .           Fig u r e  1 .   MST   P s eu d o co d e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Gen era liz ed   o p tima l p la ce men t o f P MUs   co n s id e r in g   p o w er sys tem  o b s erva b ilit y   …  ( M.  M.   H.   E lr o b y )   2827   5.   Q UA L I T Y  O F   SE RVIC E   T h e  W id e  A r ea   Me as u r e m en t   S y s te m   ( W A M S)  is   a  d is tr ib u t ed   co m m u n icatio n   n et w o r k .   T h e  Qo S  in   th e  W A MS   d ep en d s   o n   t h e   la ten c y   t i m e,   d ata   lo s s e s   a n d   r eliab ilit y   o f   t h e  s y s te m .   T h e  laten c y   ti m e   p er f o r m a n ce   is   v er y   i m p o r tan t  esp ec iall y   in   p r o tectio n   a n d   d y n a m ic  co n tr o l  ap p licati o n s   [ 3 5 ] .   T h e  tr ee   n et w o r k   is   a   co m m o n   m e th o d o lo g y   i n   o r d er   to   d esig n   t h e  n et w o r k s   [ 3 6 ,   3 7 ] .   T h e  n et w o r k   ar ch itec tu r e   co n s is ts   o f   s e v er al  P MU s ,   C Ds,  an d   P h a s o r   Data   C o n ce n t r ato r s   ( P DC s )   as  s h o w n   in   Fi g u r e  2 .   P DC   co llect s   th e  d ata  g en er ated   b y   th e s e  P MU s   o v er   a  s h ar ed   co m m u n i ca tio n   n e t w o r k .   A d d itio n all y ,   it  p er f o r m s   q u alit y   ch ec k s   o n   p h aso r   d ata  an d   i n ter p r ets  an d   i n s er t s   t h e  m is s in g   d ata  at  t h eir   ap p r o p r iate   p o s itio n   [ 3 8 ,   3 9 ] .   T y p icall y ,   m a n y   P MU s   lo ca ted   at  v ar io u s   s u b s ta tio n s   g ath er   d ata  an d   s en d   it  i n   r e al  ti m e   to   a  P DC .     Ma n y   P DC s   ca n   b e  co n n ec t ed   to   a   co m m o n   ce n tr al  P DC ,   in   o r d er   to   p r o v id e  an   in ter c o n n ec tio n   w id e  s n ap s h o t  o f   th e   p o w er   g r id   m ea s u r e m en t s .   I n   lar g e   s y s te m s ,   th e y   m a y   co n tai n   m o r e  t h an   o n e  P DC ,   w h er e   ea ch   P DC   is   p lace d   i n   a   s u b ar ea .   Fo r   s i m p licit y   i n   t h i s   s tu d y ,   t h e  p o w er   s y s te m   is   ass u m ed   as  o n e   ar ea ,   an d   o n l y   o n e  P DC   i s   u s ed   in   th e   co n t r o l  ce n ter .   T h e  m ea s u r e m en ts   ar e  m ad e  at  s p ec i f ic  t i m e  i n s tan ce s   an d   p h y s ical  d is ta n t lo ca tio n s .   T h ey   ar e  th e n   tr an s m i tted   to   a  co m m o n   lo ca tio n   f o r   u s e  b y   w id e  ar ea   ap p licatio n s .     T h e  laten c y   ti m e  e x p er ie n c ed   b y   d ata  b et w ee n   P MU   an d   th e   d esti n atio n   n o d e  ( C C B S)  is   a  co m b in atio n   o f   P MU   r ep o r tin g   d ela y ,   t h e  n et w o r k   p r o p ag atio n   d ela y s ,   q u e u i n g ,   r o u t in g   d ela y s ,   a n d   P DC s   d elay   [ 4 0 ] .   A   r ep r esen tati v e  laten c y   ti m e  o f   t h e  d ata  n et wo r k   is   s h o w n   i n   Fi g u r e  3 .   PMU  r ep o r tin g   d ela y     is   d ef i n ed   as  t h e  m a x i m u m   ti m e  i n ter v a l  b et w ee n   th e   d ata  r ep o r t  tim e  a s   in d icat ed   b y   t h e  d at a   ti m e s ta m p ,   a n d   th e  ti m e  w h e n   th e  d ata  b ec o m e s   av ailab le   at  th e  P MU   o u tp u t.  T h is   d e la y   i n clu d es  m a n y   f ac to r s ,   s u c h   as  th e  w in d o w   o v er   w h ich   d ata  is   g at h er ed   to   m ak e   a  m ea s u r e m e n t,  m ea s u r e m en t   f ilter i n g ,   a n d   th e  P MU   p r o ce s s in g   ti m e.   P DC   d elay      is   d ef in ed   as  th e  m ax i m u m   ti m e  in ter v al  b et w ee n   th e  d ata  in p u t  ti m e  as  i n d icate d   b y   t h e  d ata  ti m e s ta m p ,   a n d   th e  ti m e  w h e n   th e  d ata  b ec o m e s   av a ilab le  at   th e  P DC   o u tp u t.  T h is   d ela y   i n clu d e s   m a n y   f ac to r s   s u ch   a s   p r o ce s s in g ,   an d   ali g n m e n t  r ec eiv ed   d ata  f r o m   P MU s /P DC s .   T h e  P DC   ali g n s   r ec eiv ed   d ata  a n d   p lace s   th at  d ata  in   a  p ac k et.   I n   ad d iti o n ,   th e   P DC   d ata   p r o ce s s in g   m a y   i n clu d e  f ilter i n g ,   r ep o r tin g   r ate  co n v er s io n ,   in ter p o latio n ,   ex tr ap o latio n ,   p h ase  a n d   m a g n itu d e   ad j u s t m e n t,  etc.   Mo s t  o f   th e   ti m e   t h e  d ata  f r a m e   is   tr an s m i tted   co n t i n u o u s l y   f r o m   t h e  P MU   o r   P DC   at   th e  d esi g n ated   r ep o r tin g   r ate.             Fig u r e  2 .   C Ds an d   P MU s   n et w o r k           Fig u r e  3 .   L aten c y   ti m e       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,  No .   3 ,  J u n e  2 0 2 0   :   2 8 2 4   -   2841   2828   Qu e u in g   an d   tr an s it io n s   d elay s   (  )   ar e   ca u s ed   b y   th e  a m o u n t  o f   d ata  th at  h as  to   b e   tr an s p o r ted   ac r o s s   th e  m ed iu m   an d   th e  d ata  r ate  o f   th e  m ed iu m .   C o n s id er in g   an   M/M /1   m o d el,      can   b e  ex p r ess ed   as  f o llo w s   [ 4 1 ] :     T qu =         −   ( 3 )   C > f       w h er e   μ   is   t h e  a v er ag e  p ac k e t  len g t h   in   b its ,     an d   ,   r esp ec tiv el y ,   r ep r ese n t  t h e  ca p ac it y   a n d   th e  f lo w   o f   th e  li n k   l i n   b p s .   T h e  p r o p ag atio n   d ela y   ( )   is   d ep en d en t  o n   t h e  m ed i u m   an d   th u s   is   a  f u n ctio n   o f   b o th   th e  m ed iu m   an d   th e  p h y s ical  d is ta n ce   s ep ar atin g   t h e  in d i v id u al  co m p o n e n ts   o f   W A MS.   I n   th e  f ib er   o p t ic,   th e  p r o p ag atio n   d elay   ca n   b e  co n s id er e d   as in   t h e  f o llo w i n g   eq u atio n   [ 4 2 ] .         t p = NL   S   ( 4 )     w h er e   S is   th e  s p ee d   o f   th e  li g h t in   a  v ac u u m .     L   is   t h e  le n g t h   o f   t h e  co m m u n icatio n   li n k   N  i s   th e  g r o u p   in d e x   o f   th e  m a ter ial≈ 1 . 5   C o n s id er   th e  n et w o r k   i s   co n n e cted   u s i n g   b ac k b o n e  s w itc h es.   W e  ca n   co n cl u d e  th e  ab o v e - m en tio n ed   f ac ts   a n d   s u m m ar ize  t h e  to tal  co m m u n icatio n   la ten c y   ti m e  a s   in   t h e  f o llo w i n g   eq u atio n :      T = t p m u +   ∑ t p i n i = 1 +   ∑ t qu   i   S W n i = 1 + t p d c p d c    ( 5 )     w h er e   T   is   th e  to tal  late n c y ,       is   th e  n u m b er   o f   li n k s   b et w ee n   P MU   an d   C C B S   S W n   is   th e  n u m b er   o f   s w i tch e s   b etw ee n   P MU   an d   C C B S   t pdc   is   P DC   d ela y   B ased   o n   t h e  t y p ical  v al u es   s h o w n   i n   T ab le  C . 2   i n   [ 4 3 ] ,   an d   w it h   ass u m i n g   P DC   u s e s   d ir e ct  f o r w ar d   m o d e    t pdc   ≈ 2ms ,   an d   t p m u ≈   25ms .  T h e  ( 5 )   w il l b e  as f o llo w s :      T   ≈ 25 + ∑ t p i n i = 1 + ∑ t qu   S W n i = 1 + 2   ( 6 )     Qu e u in g   p ac k et  lo s s e s   m o s tl y   o cc u r   b ec au s e  o f   t h e  f i n it e  q u eu e  ca p ac it y   o f   p ac k et  s w itc h in g   n et w o r k s .   T o   co m p u te   t h e  av e r ag e  lo s s   r ate  at  ea c h   s w itc h ,   ea ch   n o d e  is   m o d eled   w ith   t h e  M/M /1 /k   q u e u in g   s y s te m .   On   th e   to p ic  o f   [ 4 4 ] ,   th e  to tal  n u m b er   o f   p ac k et  lo s s es  is   e s ti m ated   as  a   f u n ctio n   o f   t h e  li n k   f lo w   an d   th e  ca p ac it y   o f   b u f f er s   a n d   lin k s .   T h e  f o r m   o f   a v er ag e  p ac k e t lo s s   w ill b e:      A ve r a ge   pa c k e t   l oss = 1 ∑ h d d ∑ 1 − ρ e 1 − ρ e be + 1 e   ρ e be   ( 7 )     w h er e    ρ e = f e y e     h d =   Tr a ff ic   vol ume   for   all   PMU s   a n d   C Ds   b e =   B uffe r   c a pa c ity   of   l in k   e   ,   y e   =   C a pa c ity   of   l in k   e   ,   f e   =   Tr a ff ic   fl ow   of   l in k   e .   Fo r   a  s y s te m ,   w h ich   co n tai n s   5 0 0   P MU s   an d   5 0 0   C D s   w i th   ea ch   d ata  f lo w   1 2 8   k b p s   an d   5 0 0   lin k s   w it h   f lo w   li n k   r atio     eq u al  to   0 . 8 ,   if   w e  u s e  a  b u f f er   m e m o r y   eq u al  to   o n e  m e g a,   a ve r a ge   pa c k e t   l oss ≈ 0 .  T h er ef o r e,   th e  b u f f er   m e m o r y   ca n   b e  ass u m ed   w i th   en o u g h   v alu e  an d   th e  co s t  o f   th is   m e m o r y   r elati v e  t o  o th er   co m p o n e n t  i n   C I   ca n   b e  n eg lecte d .   T h is   lead s   to   r ed u cin g   v ar iab les  in   t h e  o p ti m i za tio n   p r o b lem   an d   r ed u cin g   th e  r u n   ti m e.     T h e  r eliab ilit y   o f   t h e  W A MS   d ep en d   o n   th e   r eliab ilit y   o f   m ed ia  ch an n el   an d   n o d es  ele m e n ts .   B ased   o n   t h e  co n ce p t   i n   [ 4 5 ]   we   ca n   d escr ib e  t h e   r elatio n   w h ich   ass e s s   th e   r eliab ilit y   o f   co n n ec tio n   b et w ee n   a n y   R eq u ir ed - n o d e  ( R n o d e)   an d   C C B S a s   f o llo w s :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Gen era liz ed   o p tima l p la ce men t o f P MUs   co n s id e r in g   p o w er sys tem  o b s erva b ilit y   …  ( M.  M.   H.   E lr o b y )   2829   RS   = ∏ R i s   ( 8 )     Rp   = 1 – ∏ [ 1   –     R i   ] p           ( 9 )     w h er e   R s =ser ies ele m en t r eliab ili t y ,       R p =p ar allel    elem e n t r eliab ilit y ,   s  =  Nu m b er   o f   s er ies ele m en ts   in   a  p ath     p   =  Nu m b er   o f   p ar allel    ele m e n ts   i n   a  p ath s .   Fo r   ea ch   b u s   r eliab ilit y   ca lc u latio n ,   th er e  ar e  t w o   ca s es:   C ase1 )   C o m p lete  o b s er v ab il it y   w i th o u t   r ed u n d an c y .   I n   th i s   ca s e,   th er e  is   o n l y   o n e  p ath .   I f   t h e  P MU   is   lo ca ted   at  R n o d e  th e  s er ies  co m p o n e n ts   ar e   o n l y   co m m u n icatio n   co m p o n en t s   ( i.e .   s w itch e s ,   co m m u n ica tio n   li n k s   ( cl) ,   an d   PDC s )   as  s h o w n   i n   Fig u r e  4 ( a ) .   I f   th e  P MU   i s   l o ca ted   at  Neig h b o r - n o d e  ( Nn o d e) ,   th e  s er ies  co m p o n e n t s   ar e  co m m u n icatio n   co m p o n e n t s   p l u s   th e   tr an s m is s io n   lin e   ( T . L . )   as  s h o w n   i n   Fig u r e  4 ( b )   ( C ase2 )   C o m p let e  o b s er v ab ilit y   w i t h   r ed u n d an c y .   I n   th is   ca s e,   th er e  ar e  s er ies  p ath   an d   p ar allel  p ath s   as  s h o w n   in   Fi g u r e  5   an d   Fig u r e  6   ( f o r   tw o   d eg r ee   o f   r ed u n d an c y ) .   I f   t h e  P MU s   ar e  lo ca ted   at  R n o d e,   th e  p ath   co n tai n   R n o d e  h as  o n l y   co m m u n icatio n   co m p o n e n t s   an d   t h e  o th er   p ath s   h av e  co m m u n icatio n   co m p o n en ts   p l u s   T . L s .   I f   t h e  P MU s   ar e  lo ca ted   at   Nn o d es,  all  p ath s   co n tain   co m m u n icat io n   co m p o n e n t s   p lu s   T . L s .           Fig u r e  4 .   C o m p lete  o b s er v ab il it y           Fig u r e  5 .   R ed u n d a n c y   w i th   P MU   at  R n o d e  an d   N n o d e     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,  No .   3 ,  J u n e  2 0 2 0   :   2 8 2 4   -   2841   2830       Fig u r e  6 .   R ed u n d a n c y   w i th   P MU s   at  Nn o d es       I n   th is   s tu d y ,   t h e  r eliab ilit y   o f   ea ch   s w itc h   is   ass u m ed   as   0 . 9 9   an d   th e  r eliab ilit y   o f   O P GW   an d   tr an s m is s io n   li n e s   is   ca lc u late d   as f o llo w s :     R e l ia b il it y cl   or   T . L .   =   R L / BL   ( 1 0 )     w h er e    L   is   t h e  le n g t h   p er   k m   o f   t h e  OP GW   lin k   o r   tr an s m is s io n   li n e   B L   is   t h e  b ase  len g t h   R   is   t h e  r eliab ilit y   o f   th e  b ase  len g th     I n   th i s   s t u d y ,   t h e  b ase  len g t h   an d   th e  r eliab ilit y   o f   t h e  b ase  le n g t h   i s   ass u m ed   2 0   k m ,   an d   0 . 9 9   r esp ec tiv el y       6.   CO S T   CA L CU L AT I O N   T h e  W A MS  co s t  d ep en d s   o n   C I   co s t,  P MU s   co s t,  a n d   C C B s   co s t.  T h e  co s t  o f   a  C I   is   m ai n l y   co m p o s ed   o f   t w o   m aj o r   co s ts   i n clu d i n g   th e  co s t o f   p as s iv e  c o m p o n en t s   an d   t h e  co s t o f   ac ti v e  d ev ice s .   I n   f ib er   o p tic  n et w o r k s ,   th e  p r ice  o f   p ass i v e  co m p o n e n ts   m ai n l y   d ep en d s   o n   OP GW   len g t h   an d   ca p ac it y .   On   t h e  o th e r   h an d ,   th e  co s t  o f   ac ti v e  d ev ic es  m ai n l y   d ep en d s   o n   t h e  n u m b er   o f   s w itc h es,  w h ic h   ar e  i n s tal led   at  b ac k b o n e  n o d es  [ 4 6 ] .   A s   a  r esu lt,  t h e  co s t  o f   C I   co r r esp o n d   d i r ec tly   to   th e  n u m b er   o f   s w itc h es,  an d   d ata  tr an s m is s io n   m ed iu m   ( i.e .   OP GW )   p r ice  an d   in s tallat io n   co s t a s   i n   t h e  f o ll o w i n g   eq u atio n     C os t CI = ∑ L i i = 1 d i + ∑ S Wc i   S W n   i = 1   ( 1 1 )     w h er e   =n u m b er   o f   th e  l in k s     L i = L cr p i + L in i     =lin k   ca p ac it y   r ate  p r ice  f ac to r   ( Dep en d   o n   th e  lin k   ca p ac it y )    =lin k   in s tallatio n   co s t  f ac to r   =le n g th   o f   th e  li n k     S Wc     i ≈ s wi tc h   c rp i   +   s wi tc h   i n i       s wi tc h   cr p =s w itc h   ca p ac it y   r ate  p r ice  f ac to r   s wi tc h   in =s w itc h   in s tallatio n   co s t    Su b s cr ip t   i in d icate   l in k   o r   n o d e  i    A ct u all y ,   h o w e v er ,   th e  m o d e l  s h o u ld   b e  s u c h   t h at  t h e  p r ice  o f   ch a n n el  ca p ac it y   ca n   tak e  o n l y   d is cr ete  v al u es.  I n   ad d itio n   t o   th e  C I   co s t,  t h er e  ar e  th e  co s t  o f   P MU s ,   w h ic h   eq u al  t o   th e  to tal  p r ice  o f   th e  P MU s   an d   its   i n s tallatio n   co s t.     C os t PMU s   = ∑   p m u i = 1 pmu c i     ( 1 2 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Gen era liz ed   o p tima l p la ce men t o f P MUs   co n s id e r in g   p o w er sys tem  o b s erva b ilit y   …  ( M.  M.   H.   E lr o b y )   2831   w h er e   p m u = n u m b er   o f   t h e  P MU s     pmu c i = PMU p ch n i   + PMU i n i       PMU p ch n i   =  P MU   p r ice  f ac to r   ( d ep en d   o n   th e  n u m b er   o f   ch a n n al  o f   t h e   P MU )   PMU i n i   =  P MU   in s tallatio n   co s t ( d ep en d   o n   s ite  lo ca t io n )   I n   th e   ca s e  o f   ad d in g   n e w   d ata   tr an s m i s s io n   p ath s   b et w ee n   b u s e s ,   th e   ec o n o m ic  s t u d y   h a s   co n s id er ed   th e  e s tab lis h m en t  o f   n e w   to wer s ;  t h e  co s t   o f   th e   to tal  n e w   to w er s   w ill   d ep en d   o n   th e   li n k   le n g th .   T h e  to tal   lin k   co s t c an   b e  ca lcu la ted   as f o llo w s :     cd i   = ( L a vc r p + L in i ) d i + tc = L av i   d i + α i d i = L av i d vi   ( 1 3 )     d vi   = d i ( L av i + α ) L av i = d i ( 1 + α i L av i ) = d i ( 1 + β )   ( 1 4 )     w h er e    =c o s t f o r   d ir ec t lin k   i   L a v cr p =Cap ac it y   r ate  p r ice  f a cto r   o f   th e  n e w   d ata  tr an s m is s i o n   p ath s          =lin k   i n s tallatio n   co s t f ac to r    =to w er s   co s t=    α =to w er   co s t  f ac to r     =   +        =a ctu al  d is ta n ce   f o r   li n k   i     =  v ir tu al  d ir ec t d is ta n ce   f o r   li n k   i   β =d ir ec t c o n n ec tio n   f ac to r   T h e  m in i m u m   n u m b er   o f   t h e  P MU s   r eq u ir ed   co u ld   b e  ca lcu l ated   u s i n g   ( 2 ) .   I n   ad d itio n ,   t h e  n u m b er   o f   C Ds  ( Ncd s )   ar e  k n o w n ,   s o   th at  th e  ca p ac it y   o f   th e  n e w   d ata  tr an s m is s io n   lin e  C av )   co u ld   b e  ap p r o x i m ated   as f o llo w s :     C av ≈ ( PM U S m in 2 ) PM U d at a   f l o w + ( N cd s 2   )   CD d at a   f l o w   ( 1 5 )     w h er e    PMU d at af l o w   is   r ate  o f   th e  p m u   d ata  f lo w   ( k b p s )   CD d at af l o w   is   r ate  o f   th e  C D  d ata  f lo w   ( k b p s )   Fo r   ea ch   e x is tin g   ec o n o m ic   s tu d y   b et w ee n   t w o   b u s es,  ca lc u late  v ir t u al  d is tan ce   f r o m   ( 1 4 )   f o r   al l   p o s s ib le  n e w   d ata  tr a n s m i s s i o n   p ath s .   Af ter   ca lc u lat in g   v ir tu al  d i s tan ce   t h er e  ar e  t w o - d is ta n ce   m atr ice s :   d is tan ce   m atr i x   co r r esp o n d in g   to   tr an s m i s s io n   li n es  d is ta n ce   m a tr ix   (  )   an d   d is tan ce   m atr ix   f r o m   v ir tu a l c alcu lat in g   ( ) .   Me r g e  th e  t w o   m atr ix e s   in   o n e  m atr i x     as f o llo w s :   -   Fo r   d ir ec t c o n n ec ted   b u s es,  co m p ar e  t h e  li n k   d is tan ce   i n   D p o w er   w it h       an d   tak e  th e      as lin k   d is tan ce   i f   it is   le s s   t h a n     in     D p o w er .      -   Fo r   n o t d ir ec t c o n n ec ted   b u s es ,   tak e  th e  v ir tu a l le n g t h   as li n k   d is tan ce .     -   T h en   m o d if y   ( 1 1 )   as f o llo w s :     C os t CI = ∑ L i  i = 1 d i + ∑ ( L i i =  + 1 d i + α   d i ) + ∑ S Wc i   S W n   i = 1   ( 1 6 )     w h er e    f r o m   1   to   lp   ar e  th e  lin k s   f r o m   p o w er   s y s te m   n et w o r k     f r o m   +1   to     ar e  th e  lin k s   f r o m   n e w   ad d ed     p ath s     Fin all y ,   t h e  t o tal  co s t  w ill b e  as f o llo w i n g     To ta l   C ost = C os t CI + C os t PMUs   + C os t CCBi   ( 1 7 )     w h er e     C os t CCBi     is   th e  co s t o f   C C B S ( I n c lu d e  C C B S s ite  an d   P DC   co s t)       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,  No .   3 ,  J u n e  2 0 2 0   :   2 8 2 4   -   2841   2832   7.   P RO B L E M   F O R M UL AT I O N  AND  I M P L E M E NT AT I O N   T h e  P MU s   o p ti m al  p lace m e n t   p r o b lem   ca n   b e  co n s id er ed   a s   n o n d eter m i n i s tic  p o l y n o m ial   co m p lete   p r o b lem   [ 4 7 ] .   Fo r   a  s y s te m   with   N   b u s e s ,   t h e  s ea r c h   s p ac e  is   2     w it h o u t   co n s id er in g   C I   to p o lo g y ,   c h an n el   ca p ac it y   allo ca tio n ,   an d   n u m b er   o f   P MU   ch an n e ls .   T h er ef o r e,   th e  P MU s   o p ti m al  p r o b l e m   is   co n s id er ed   as   a  co m b in a to r ial  o p ti m iza tio n   p r o b lem   [ 4 8 ] .   Me ta  h e u r is ti c  alg o r it h m   p o p u latio n   b ased   m et h o d s ,   s u c h   a s   B P SOGS A ,   ar e  ca n d id ate  f o r   s o lv in g   s u c h   p r o b lem s .   I n   th e  f o llo w i n g ,   t w o   ap p r o ac h es  ar e  p r esen ted   to   m i n i m ize  t h e  to tal  co s t  w i th   co n s id er in g   t h e  o b s er v ab ilit y   an d   C I .   I n   t h ese  ap p r o ac h es,  th e  o p ti m izatio n   p r o b lem   is   d ef in ed   as  f o llo w s :     P rob . ∶ {                     Min :   ( T ota l   C os t = C os t CI + C os t P M U s   + + C os t CCB i )   va ria bl e : P MU s   l oca t io ns , the   ne t work             t op olgy , l in k   ca p cit y , a nd   bu f f e r   m e m ory   Su bje ct   to : {         i )   Obs e rva bilit y     con s t ra in t                                                                                                 ii )   C on ne ct io n   con s t ra in t     ( A l l   P MU s , C Ds , a nd   CCB   a re   con ne ct e d           )                 iii )   L a t e ncy   t im e   con s t ra in t                                                                                                     V )     R e l ia bilit y       con s t ra i nt                                                                                                             ( 1 8 )     T h e  f o llo w i n g   co n s id er atio n s   ar e  m ad e  i n   t h e s e  ap p r o ac h es:   -   So m e  C D s   ar e  ex i s ted ,   an d   w i ll b e  co n n ec ted   w ith   t h e  co m m u n icat io n   n e t w o r k .     -   T w o   C a s es a r e  co n s id er ed   f o r   lo ca tio n   o f   th e  C C B S; p r ed ef i n ed   an d   f r ee   s elec ted .     -   So m e  P MU s   lo ca tio n s   ar e  p r ed ef in ed   an d   i n cl u d ed   in   th e  co s t c alcu la tio n .   -   C o n v en t io n al  m ea s u r e m e n t s   a n d   Z I B   w it h   a  r eq u ir ed   d eg r ee   o f   o b s er v ab ilit y   a n d   r eq u ir ed   r ed u n d an c y   ar e   co n s id er ed   in   th e  o b s er v ab ili t y   co n s tr ai n t s u c h   as i n   Sectio n   2   -   T h e  b u f f er   to   s to r e  th e  p ac k et  in   t h e  s w itc h i n g   n o d e  h as   a  f i x ed   en o u g h   v alu e   an d   n o t  co n s id er ed   in   th e  o p ti m izat io n   p r o b lem .   -   B ased   o n   f air n e s s   g r ad e  o f   s er v ice,   t h e  lin k   ca p ac it y   is   allo c ated   to   m in i m ize   t h e  m a x i m u m   la ten c y   ti m e.   T h e  m a x i m u m   L ate n c y   ti m e  f o r   an y   P MU (  )   is   less   t h a n   0 . 0 4   Sec.   -   P MU   an d   C D  d ataf lo w   ar e  ass u m ed   1 2 8   k b p s .   -   T h e  r e liab ilit y   o f   th e  o b s er v ab ilit y   f o r   an y   n o d e  ( r r eq )   is   g r e ater   th an   0 . 8   I n   th e  f o llo w i n g   s ec tio n s ,   th e  I E E E   1 4   an d   I E E E   1 1 8   s y s te m s   w i th   g i v en   d ata  in   b elo w   i s   in v e s ti g ated   f o r   f u l l o b s er v ab i lit y   co n d it io n   u s i n g   P C   w ith   I n tel  C o r e  i5 - 4 3 0 M  @   2 . 2 7   G Hz  an d   Ma t lab   2 0 1 6 .   I n   ad d itio n ,   th e  r es u lt s   o f   t h e s e  ap p r o ac h es  ar e  co m p ar ed   w i th   t h e  m e th o d ,   w h ic h   w a s   p r esen ted   i n   [ 1 8 ]   w it h   f i x ed   ch a n n el  ca p ac it y   ( te n   t i m es   ac tu a l  d ata  f lo w )   a n d   w it h o u t   ad d in g   n e w   d ata  tr an s m i s s io n   p ath s .   D i s ta n ce   m atr i x   o f   ea ch   I E E E   tes t  n et w o r k ,   w e  h av e   as s u m ed   t h at   all  tr an s m is s io n   lin e s   h a v e  t h e  s a m e  co n d u cto r s .   T h u s ,   th e   r elativ e   d is ta n ce s   b et w ee n   s y s te m   b u s e s   ca n   b e  ex tr ac ted   f r o m   s y s te m   ad m itta n ce   m atr ix .   I n   ad d itio n ,   th e  d i s tan ce s   o f   th e  n e w   d ata  tr an s m is s io n   p at h s   ar e   ass u m ed   as  lis ted   i n   T ab le   1   an d   T ab l e  2   f o r   I E E E   1 1 8   b u s   an d   f o r   I E E E   1 4   b u s .   T a b le  3   an d   T ab le  4   s h o w   C C B S  p er   u n it  co s t  at  ea ch   b u s   f o r   I E E E   1 4   b u s   a n d   I E E E   1 1 8   b u s   s y s te m s   r esp ec tiv e l y .   T ab le  5   s h o w s   t h e  r ate  o f   t h e  d ata   f lo w   f o r   P MU   an d   C D.   T ab le  6   p r esen ts   co s t  f ac to r s   v alu es,  w h ic h   ar e  u s ed   to   ca lcu l ate  th e  to tal  co s t.       T ab le  1 .   d is tan ce s   o f   th e  n e w   d ata  tr an s m is s io n   p ath s   f o r   I E E E   1 1 8   b u s   B u s   T o   B u s   D i st a n c e   ( k   M )   24   17   16   24   31   24   24   39   32   24   49   28   24   96   20   5   27   33   37   47   16   32   43   18   45   80   31       T ab le  2 .   d is tan ce s   o f   th e  n e w   d ata  tr an s m is s io n   p ath s   f o r   I E E E   1 4   b u s   B u s   T o   B u s   D i st a n c e   ( k   M )   5   10   2 8 . 5   2   6   10   2 3 . 2   4   14   2 6 . 2   7   14   2 0 . 2   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Gen era liz ed   o p tima l p la ce men t o f P MUs   co n s id e r in g   p o w er sys tem  o b s erva b ilit y   …  ( M.  M.   H.   E lr o b y )   2833   T ab le  3 .   C C B S p er   u n it c o s t f o r   I E E E   1 4   b u s   Bu s   N o .   CCBS   co s t   Bu s   N o .   CCBS   co s t   1   2   8   2 . 6   2   2 . 2   9   2 . 6   3   2 . 3   10   2   4   2   11   2 . 7   5   2 . 4   12   2 . 1   6   2 . 1   13   2 . 3   7   2 . 5   14   2 . 4       T ab l e   4 .   C C B S p er   u n it c o s t f o r   I E E E   1 1 8   b u s   Bu s   N o .   CCBS   Co s t   Bu s   N o .   CCBS   Co s t   Bu s   N o .   CCBS   Co s t   Bu s   N o .   CCBS   Co s t   1   3 . 7 1 9   60   3 . 3 4 3 4   31   3 . 1 9 8 4   91   2 . 9 6 9 7   2   2 . 3 6 4 1   61   1 5 3 3   32   2 . 9 2 1 3   92   3 . 3 1 1 1   3   1 . 9 6 2 6   62   2 . 2 1 6 4   33   3 . 9 5 6 7   93   2 . 1 9 9 8   4   2 . 2 8 6 3   63   2 . 9 4 6 9   34   2 . 5 4 2   94   2 . 6 4 5 2   5   3 . 4 1 4 9   64   3 . 2 8 9 1   35   2 . 5 4 2   94   2 . 6 4 5 2   6   1 . 7 6 7 8   65   3 . 8 6 9 7   36   3 . 1 7 7 8   95   2 . 5 2 8 1   7   3 . 5 3 4 1   66   3 . 0 0 8 2   37   3 . 1 8 1 2   96   3 . 0 9 6 5   8   3 . 8 4 7 2   67   2 . 6 1 2 7   38   2 . 4 8 5   97   3 . 4 2 2   9   1 . 9 1 3 8   68   2 . 9 7 9 1   39   3 . 3 3 3 8   98   3 . 1 3 7 4   10   2 . 0 9 8 7   69   3 . 4 9 2 4   40   2 . 1 1 2 7   99   1 . 7 9 1 7   11   2 . 7 3 1 7   70   3 . 1 8 7 1   41   2 . 2 3 3 5   1 0 0   3 . 8 0 5 5   12   2 . 0 7 3 7   71   1 . 5 2 4   42   2 . 4 8 7 3   1 0 1   2 . 2 2 8   13   3 . 6 8 1   72   3 . 3 3 1   43   2 . 1 2 6 5   1 0 2   2 . 9 9 0 7   14   3 . 6 2 1 5   73   3 . 2 6 2 7   44   2 . 5 5 7 7   1 0 3   3 . 0 7 1 4   15   1 . 6 5 9   74   1 . 8 5 3 3   45   2 . 5 2 4 5   1 0 4   2 . 1 4 3 2   1 6   2 . 1 7 8 7   75   3 . 3 2 8 6   46   2 . 8 4 4 5   1 0 5   3 . 3 1 3 2   17   3 . 7 6 0 5   76   2 . 3 3 7 7   47   3 . 1 6 0 5   1 0 6   3 . 9 0 3 2   18   2 . 5 0 5 9   78   3 . 4 5 2 3   48   3 . 9 5 4 3   1 0 7   3 . 3 7 5 2   19   2 . 2 8 6 9   79   1 . 5 8 7 1   49   1 . 9 4 1 2   1 0 8   2 . 8 0 4 9   20   3 . 1 1 0 7   80   3 . 9 9 7 1   50   3 . 2 6 3 3   1 0 9   1 . 9 1 6 5       T ab le  5 .   Flo w   d ata   PMU   a n d   CD   d at a   f l o w   1 2 8   k bps   PMU   a n d   CD   f rame  l e n g t h   1   K b         T ab le  6 .   C o s t f ac to r s   v al u es   F act o r   Rat e   v al u e   Co s t   Per  u n i t   co s t        (  I E E E   1 4   b u s )   0 . 3   Mb i t / s   0 . 7   Mb i t / s     1 . 3   Mb i t / s   2 . 7   Mb i t / s     6   Mb i t / s     2 0 0   M b i t / s   1 4   $ / k m   4 0   $ / k m   6 0   $ / k m   1 0 0   $ / k m   2 0 0   $ / k m   5 0 0 0 0   $ / k m    0 . 0 0 0 1 4   0 . 0 0 0 4     0 . 0 0 0 6   0 . 0 0 1   0 . 0 0 2   0 . 5          (  I E E E   1 1 8   b u s )   0 . 3   Mb i t / s   1 . 3   Mb i t / s   6   Mb i t / s   1 2   M b i t / s   2 4   M b i t / s   4 8   M b i t / s   9 6   M b i t / s   6 0 0   M b i t / s   1 2 0 0   M b i t / s   1 4   $ / k m   6 0   $ / k m   2 0 0   $ / k m   4 0 0   $ / k m   8 0 0   $ / k m   1 6 0 0   $ / k m   3 2 0 0   $ / k m   1 8 0 0 0   $ / k m   3 6 0 0 0   $ / k m    0. 0 0 0 1 4   0 . 0 0 0 6   0 . 0 0 2   0 . 0 0 4   0 . 0 0 8   0 . 0 1 6   0 . 0 3 2   0 . 1 8   0 . 3 6     swi t c h        (  I E E E   1 4   b u s )   1 0 0   M b i t / s   2 5 0   M b i t / s   5 0 0   M b i t / s   1 0 , 0 0 0   $ / n o d e   2 0 , 0 0 0   $ / n o d e     4 0 , 0 0 0   $ / n o d e   0 . 1   0 . 2   0 . 4   swi t c h          (  I E E E   1 1 8   b u s )   1 0 0   M b i t / s     2 5 0   M b i t / s     6 0 0   M b i t /s   1 2 0 0   M b i t / s   1 0 , 0 0 0   $ / n o d e   2 0 , 0 0 0   $ / n o d e     4 0 , 0 0 0   $ / n o d e   8 0 , 0 0 0   $ / n o d e   0 . 1   0 . 2   0 . 4   0 . 8    ℎ       2   c h a n n el     4   c h a n n el     6   c h a n n el     8   c h a n n el     1 0   c h a n n el     1 2   c h a n n el   1 4   c h a n n el   2 0 , 0 0 0   $ / n o d e   5 0 , 0 0 0   $ / n o d e   6 0 , 0 0 0   $ / n o d e   7 0 , 0 0 0   $ / n o d e   8 0 , 0 0 0   $ / n o d e   9 0 , 0 0 0   $ / n o d e   1 0 0 , 0 0 0 [1*]   $ / n o d e   0 . 2   0 . 5   0 . 6   0 . 7   0 . 8   0 . 9   1         2 0 0 0 0   $ / n o d e   0 . 2   α    ( t o w er  co s t )     1 0 0 0   $ / k m   0 . 0 1 [2*]          1 0 0 0   $ / k m   0 . 0 1 [2*]   swi t c h           1 0 0   $ / n o d e   0 . 0 0 1 [ 3*]   [1 * ]  T h i s   v al u e   i s   u s e d   a s   b a s e   f o r  t h e  p e r  u n i t   co s t     [2 * ]  T h i s   v al u e   i s   u s e d   f o r  al l   l i n k s   u n l es s   o t h e rw i s e  s t a t e d   [3 * ]  T h i s   v al u e   i s   u s e d   f o r  al l   n o d e s   u n l e s s   o t h erw i s e  s t at ed   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.