Değişen Gürültü Koşullarında Kalman Filtreleri ile Güç Sistemlerinde Harmonik Tahmini: Performans Analizi ve Değerlendirmesi
Abstract
Bu çalışmada, güç sistemlerinde harmoniklerin genlik ve faz tahmini için literatürde önerilen bir test sinyali kullanılmıştır. Test sinyali, 10 dB, 20 dB ve 40 dB gürültü koşulları altında önerilen Kalman tabanlı yaklaşıma uygulanmıştır. Performans, elde edilen tahmin sonuçları ile literatürde bildirilen sonuçlar karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. 10 dB Gauss gürültüsü için, ortalama karesel hata (OKH) 0.006649 ve normalleştirilmiş ortalama karesel hata (NOKH) 0.014542 idi; 20 dB Gauss gürültüsü için OKH 0.000613 ve NOKH 0.001340; 40 dB Gauss gürültüsü için OKH 0.000004 ve NOKH 0.000009 olmuştur. Her üç gürültü durumu için de ortalama hesaplama süresi 0.06 saniyedir. Her gürültü seviyesi için, orijinal, gürültülü ve tahmini sinyaller hem zaman hem de frekans alanlarında analiz edilmiş ve görsel değerlendirmeler sayısal sonuçlarla tutarlıdır.
Supporting Institution
Hiçbir fon yok.
References
- Chen, C. I., & Chen, Y. C. 2014. Comparative study of harmonic and interharmonic estimation methods for stationary and time-varying signals. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 61(1), 397–404. https://doi.org/10.1109/TIE.2013.2242419.
- Ortmeyer, T. H., Chakravarthi, K. R., & Mahmoud, A. A. (1985). The effects of power system harmonics on power system equipment and loads. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 104(9), 2555–2563. https://doi.org/10.1109/TPAS.1985.319019.
- Arranz-Gimon, A., Zorita-Lamadrid, A., Morinigo-Sotelo, D., & Duque-Perez, O. 2021. A review of total harmonic distortion factors for the measurement of harmonic and interharmonic pollution in modern power systems. Energies, 14(20), 6467. https://doi.org/10.3390/en14206467.
- Kumar, D., & Zare, F. 2016. Harmonic analysis of grid connected power electronic systems in low voltage distribution networks. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 4(1), 70–79. https://doi.org/10.1109/JESTPE.2015.2454537.
- Singh, G. K. 2009. Power system harmonics research: A survey. European Transactions on Electrical Power, 19, 151–172. https://doi.org/10.1002/etep.201.
- IEEE. 2014. IEEE recommended practice and requirements for harmonic control in electric power system (IEEE Std 519-2014) (Revision of IEEE Std 519-1992). IEEE, 1-29.
- Singh, S. K., Sinha, N., Goswami, A. K., & Sinha, N. 2016. Several variants of Kalman filter algorithm for power system harmonic estimation. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 78, 793–800. https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2015.12.028.
- Kabalci, Y., Kockanat, S., & Kabalci, E. 2018. A modified ABC algorithm approach for power system harmonic estimation problems. Electric Power Systems Research, 154, 160–173. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2017.08.019.
- Martínez-Navarro, G., & Orts-Grau, S. 2025. Selective SAPF for harmonic and interharmonic compensation using an adaptive Kalman filter-based identification method. Applied Sciences, 15(22), 12249. https://doi.org/10.3390/app152212249.
- Yu, P., & Sun, J. 2025. Improved Sage–Husa unscented Kalman filter for harmonic state estimation in distribution grid. Electronics, 14(2), 376. https://doi.org/10.3390/electronics14020376.
- Qi, J., Sun, K., Wang, J., & Liu, H. 2018. Dynamic state estimation for multi-machine power system by unscented Kalman filter with enhanced numerical stability. IEEE Transactions on Smart Grid, 9, 1184–1196. https://doi.org/10.1109/TSG.2016.2580584.
- Lu, Z., Ji, T. Y., Tang, W. H., & Wu, Q. H. 2008. Optimal harmonic estimation using a particle swarm optimizer. IEEE Transactions on Power Delivery, 23(2), 1166–1174. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2008.917656.
- Oğuzalp, Ş. N., Akkaya, S., & Eminoğlu, U. 2025. Comparison of advanced metaheuristic algorithms for harmonic detection in power systems. Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 15(2), 620–638. https://doi.org/10.17714/gumusfenbil.1618127.
Harmonic Estimation in Power Systems with Kalman Filters under Varying Noise Conditions: Performance Analysis and Evaluation
Abstract
In this study, a test signal proposed in the literature for amplitude and phase estimation of harmonics in power systems is utilized. The test signal is applied to the proposed Kalman-based approach under noise conditions of 10 dB, 20 dB, and 40 dB. Performance is evaluated by comparing the obtained estimation results with those reported in the literature. For 10 dB Gaussian noise, the mean squared error (MSE) was 0.006649, and the normalized mean squared error (NMSE) was 0.014542; for 20 dB Gaussian noise, the MSE was 0.000613, and the NMSE was 0.001340; and for 40 dB Gaussian noise, the MSE was 0.000004, and the NMSE was 0.000009. The average computational time across all three cases is 0.06 seconds. For each noise level, the original, noisy, and estimated signals are analyzed in both the time and frequency domains, with visual assessments consistent with the numerical results.
Keywords
Ethical Statement
No ethical declaration is required for the study.
Supporting Institution
No funding.
Thanks
The author would like to thank the referees for their constructive comments that contributed to the improvement of the article, as well as the editorial board for their dedicated support throughout the publication process.
References
- Chen, C. I., & Chen, Y. C. 2014. Comparative study of harmonic and interharmonic estimation methods for stationary and time-varying signals. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 61(1), 397–404. https://doi.org/10.1109/TIE.2013.2242419.
- Ortmeyer, T. H., Chakravarthi, K. R., & Mahmoud, A. A. (1985). The effects of power system harmonics on power system equipment and loads. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 104(9), 2555–2563. https://doi.org/10.1109/TPAS.1985.319019.
- Arranz-Gimon, A., Zorita-Lamadrid, A., Morinigo-Sotelo, D., & Duque-Perez, O. 2021. A review of total harmonic distortion factors for the measurement of harmonic and interharmonic pollution in modern power systems. Energies, 14(20), 6467. https://doi.org/10.3390/en14206467.
- Kumar, D., & Zare, F. 2016. Harmonic analysis of grid connected power electronic systems in low voltage distribution networks. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 4(1), 70–79. https://doi.org/10.1109/JESTPE.2015.2454537.
- Singh, G. K. 2009. Power system harmonics research: A survey. European Transactions on Electrical Power, 19, 151–172. https://doi.org/10.1002/etep.201.
- IEEE. 2014. IEEE recommended practice and requirements for harmonic control in electric power system (IEEE Std 519-2014) (Revision of IEEE Std 519-1992). IEEE, 1-29.
- Singh, S. K., Sinha, N., Goswami, A. K., & Sinha, N. 2016. Several variants of Kalman filter algorithm for power system harmonic estimation. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 78, 793–800. https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2015.12.028.
- Kabalci, Y., Kockanat, S., & Kabalci, E. 2018. A modified ABC algorithm approach for power system harmonic estimation problems. Electric Power Systems Research, 154, 160–173. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2017.08.019.
- Martínez-Navarro, G., & Orts-Grau, S. 2025. Selective SAPF for harmonic and interharmonic compensation using an adaptive Kalman filter-based identification method. Applied Sciences, 15(22), 12249. https://doi.org/10.3390/app152212249.
- Yu, P., & Sun, J. 2025. Improved Sage–Husa unscented Kalman filter for harmonic state estimation in distribution grid. Electronics, 14(2), 376. https://doi.org/10.3390/electronics14020376.
- Qi, J., Sun, K., Wang, J., & Liu, H. 2018. Dynamic state estimation for multi-machine power system by unscented Kalman filter with enhanced numerical stability. IEEE Transactions on Smart Grid, 9, 1184–1196. https://doi.org/10.1109/TSG.2016.2580584.
- Lu, Z., Ji, T. Y., Tang, W. H., & Wu, Q. H. 2008. Optimal harmonic estimation using a particle swarm optimizer. IEEE Transactions on Power Delivery, 23(2), 1166–1174. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2008.917656.
- Oğuzalp, Ş. N., Akkaya, S., & Eminoğlu, U. 2025. Comparison of advanced metaheuristic algorithms for harmonic detection in power systems. Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 15(2), 620–638. https://doi.org/10.17714/gumusfenbil.1618127.
Details
| Primary Language | English |
|---|---|
| Subjects | Electrical Circuits and Systems |
| Journal Section | Research Article |
| Authors | |
| Submission Date | December 5, 2025 |
| Acceptance Date | January 21, 2026 |
| Publication Date | March 10, 2026 |
| DOI | https://doi.org/10.65520/erciyesfen.1836331 |
| IZ | https://izlik.org/JA33SD66LZ |
| Published in Issue | Year 2026 Volume: 42 Issue: 1 |
Cite
Aim & Scope
Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi Ulusal ve Uluslararası araştırmacıların bilim ve teknolojiye sağlayacakları en son katkıları yayımlamayı ilke edinmiş bir bilimsel dergidir. Dünyanın her tarafından araştırmacıların bilim ve teknolojiye dair bilgi ve becerilerini geliştirmeyi, paylaşmayı ve tartışmayı amaç edinir. Makaleler İngilizce olarak sunulmalıdır.
Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi özgün bilimsel araştırmalar ile uygulama çalışmalarına yer veren bir dergidir. Dergide fen ve mühendislik bilimlerinde yapılmış deneysel ve teorik ilerlemeleri konu alan analitik ve nümerik çözümleri içeren araştırma makalesi türündeki çalışmalara yer verilir.
Author Guidelines
BENZERLİK ORANI DOSYASI : Makalenizin referanslar bölümü dahil Tam Metni "iThenticate" veya "Turnitin" programları ile taranmalıdır. İlgili programdan alacağınız benzerlik oranı sonucunun PDF formatında sistemimize yüklenilmesi gerekmektedir.
Dergi Makale Formatını İndirin
http://dergipark.org.tr/download/journal-file/14761
Link açılmazsa başka bir internet tarayıcısından deneyiniz. (Internet Explorer, Mozilla Firefox, Edge, Opera, Safari, Netscape vs.) veya linke sağ tıklayıp "Bağlantıyı farklı kaydet" deyiniz veya linki kopyalayıp arama çubuğuna yapıştırıp enter'layınız.
Ethical Principles and Publication Policy
⛔ Makalenin yazar(lar)ının tahrif edilmiş ve uydurma veriler kullandığı tespit edildiği takdirde, bu durum yazarların çalıştığı kuruma bildirilerek makale reddedilir. İntihal oranı üst sınırı %20 (Kaynaklar hariç) olarak belirlenmiş ve intihal oranı %20'yi geçen makaleler, değerlendirmeye alınmaz.
⛔ Dergimize gönderilen makaleler için yazarların telif hakkı devir formunu doldurması gerekmektedir.
✯ Etik kurul izni gerektiren, tüm bilim dallarında yapılan araştırmalar için etik kurul onayı alınmış olmalı, bu onay makalede belirtilmeli ve belgelendirilmelidir.
✯ Etik kurul izni gerektiren araştırmalarda, izinle ilgili bilgilere (kurul adı, tarih ve sayı no) yöntem bölümünde, ayrıca makalenin ilk/son sayfalarından birinde; olgu sunumlarında, bilgilendirilmiş gönüllü olur/onam formunun imzalatıldığına dair bilgiye makalede yer verilmelidir.
✯ Dergi web sayfasında, makalelerde Araştırma ve Yayın Etiğine uyulduğuna dair ifadeye yer verilmelidir.
✯ Dergi web sayfasında, hakem, yazar ve editör için ayrı başlıklar altında etik kurallarla ilgili bilgi verilmelidir.
✯ Dergide ve/veya web sayfasında, ulusal ve uluslararası standartlara atıf yaparak, dergide ve/veya web sayfasında etik ilkeler ayrı başlık altında belirtilmelidir. Örneğin; dergilere gönderilen bilimsel yazılarda, ICMJE (International Committee of Medical Journal Editors) tavsiyeleri ile COPE (Committee on Publication Ethics)’un Editör ve Yazarlar için Uluslararası Standartları dikkate alınmalıdır.
✯ Kullanılan fikir ve sanat eserleri için telif hakları düzenlemelerine riayet edilmesi gerekmektedir.
Price Policy
Dergimiz ücretli değildir.
Indexes
Citation Indexes
Other Indexes
Journal Boards
Baş Editör
Yardımcı Baş Editör
Editörler Kurulu
T. Özcan, 2010 yılında İstanbul Kültür Üniversitesi, İstanbul, Türkiye'den bilgisayar mühendisliği alanında lisans derecesini, 2016 ve 2020 yıllarında ise Erciyes Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü'nden yüksek lisans ve doktora derecelerini almıştır. 2013 yılında Erciyes Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü'ne Araştırma Görevlisi olarak katılmıştır. Araştırma ilgi alanları arasında akıllı optimizasyon algoritmaları, görüntü işleme, makine öğrenmesi, derin öğrenme ve Kalman filtreleme bulunmaktadır. Uygulama alanları insan eylemi tanıma, insan-bilgisayar etkileşimi ve sağlık ile tarımda yapay zekâ konularına odaklanmaktadır.
Erciyes Üniversitesi Fizik Bölümü'nde Doçent ve Araştırma Dekan Yardımcısı olarak çalışmaktayım. Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'nda (Fermilab) nötrino deneyleri, ANNIE, NOvA ve DUNE ve UC-Berkeley'deki EOS deneyi üzerinde çalışıyorum. Ayrıca ABD'deki Iowa Üniversitesi'nde araştırmacı bilim insanı ve yarı zamanlı öğretim üyesi olarak görev yapıyorum ve CERN'deki LHC'de CMS deneyinde de çalışmalarımı sürdürüyorum.
Ocak 2017'den Ekim 2020'ye kadar, Iowa Eyalet Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırmacı olarak Fermilab'daki nötrino deneyleri, ANNIE ve NOvA üzerinde çalıştım. ANNIE'de Deney Koordinatörü ve Faz II Yükseltme ve Kurulum Yöneticisi olarak görev yaptım. Ağustos 2012'de Yüksek Lisans derecemi, Aralık 2016'da ise CERN'deki LHC'de CMS deneyi üzerine Iowa Üniversitesi'nde doktora derecemi tamamladım.
Nanomalzemeler, kuantum teknolojileri ve yarıiletken fiziği alanında uzmanlaşmış bir fizikçi ve öğretim üyesiyim. Araştırmalarım, optoelektronik aygıtlar, fotodetektörler ve radyasyon algılama sistemlerinde kullanılmak üzere karbon kuantum noktaları, perovskit nanokristaller ve bu yapıların hibrit formlarının sentezi ve karakterizasyonuna odaklanmaktadır. Sintilatörler, ışık yoğunlaştırıcı (LSC) sistemler ve hibrit fotodetektörler için karbon temelli nanomalzemeleri konu alan TÜBİTAK destekli projeler de dahil olmak üzere birçok ulusal ve uluslararası araştırma projesinde yürütücü ve araştırmacı olarak görev aldım.
Deneysel nanoteknoloji çalışmalarımın yanı sıra, bilim iletişimi ve öğretim faaliyetlerine de büyük önem veriyorum. Kuantum hesaplama, nanoyapılar ve modern fizik konularında dersler veriyor; hakemli dergilerde yayımlanmış çok sayıda makalenin yazarı ve ortak yazarı olarak akademik üretime katkı sağlıyorum. Ayrıca, araştırmalarımı düzenli olarak uluslararası konferanslarda sunuyorum.
Profesyonel ilgi alanlarım nanofotonik, sürdürülebilir enerji malzemeleri ve gelişmiş radyasyon algılama teknolojilerinin kesişiminde yer almakta olup, özellikle çevre dostu ve suda çözünür nanomalzemelere odaklanmaktayım.
Murat Aydın, Erciyes Üniversitesi'nde doçent olarak görev yapmaktadır. Aydın, akademik kariyerine 2007 yılında Erciyes Üniversitesi Makine Mühendisliği bölümünden mezun olarak başlamıştır. Yüksek lisans ve doktora derecelerini de aynı üniversitede tamamlamıştır. Doktora tezi, "Fonksiyonel kademelendirilmiş sandviç plakaların balistik davranışı" üzerinedir.
Aydın, 2009-2010 yılları arasında Erciyes Üniversitesi Sivil Havacılık Yüksekokulu'nda araştırma görevlisi olarak çalışmıştır. 2010-2014 yılları arasında aynı kurumda öğretim görevlisi olarak görev yapmış ve 2014 yılında Erciyes Üniversitesi Havacılık ve Uzay Bilimleri Fakültesi'ne doktor öğretim üyesi olarak atanmıştır. 2022 yılında doçent unvanını almıştır.
Aydın'ın araştırma alanları arasında kompozit malzemeler, balistik, darbe mekaniği ve fonksiyonel kademelendirilmiş malzemeler bulunmaktadır. Uluslararası hakemli dergilerde yayınlanmış çok sayıda makalesi ve bildirimi bulunmaktadır. Ayrıca, TÜBİTAK ve Avrupa Birliği tarafından desteklenen çeşitli projelerde görev almıştır.
Aydın, akademik çalışmalarının yanı sıra, Erciyes Üniversitesi Havacılık Çalışmaları Uygulama ve Araştırma Merkezi Müdürü ve Uçak Mühendisliği Bölüm Başkanı olarak idari görevler de üstlenmektedir.
Ethics and Compliance Requirements
✯ For all studies that require ethics committee approval, such approval must be obtained, clearly stated within the manuscript, and properly documented.
✯ In research requiring ethics approval, detailed information—the name of the ethics committee, approval date, and approval number—must be included in the Methods section, and additionally on either the first or last page of the manuscript. For case reports, the manuscript must include a statement confirming that written informed consent was obtained from the participant(s).
✯ The journal’s website must include a clear statement confirming that all manuscripts comply with Research and Publication Ethics.
✯ Ethical responsibilities and guidelines for authors, reviewers, and editors must be presented under separate headings on the journal’s website.
✯ Ethical principles must be explicitly stated in the journal and/or on the journal website, with reference to national and international standards. For instance, scientific manuscripts submitted to the journal should follow the recommendations of the ICMJE (International Committee of Medical Journal Editors) and the COPE (Committee on Publication Ethics) International Standards for Editors and Authors.
✯ Compliance with relevant copyright regulations is mandatory for all intellectual and artistic works used within the manuscript.