Addressing Reliability Challenges in Digital Substation Automation Systems

Abstract

Denne masteroppgaven undersøker påliteligheten til digitale transformatorstasjoner som benytter IEC 61850 prosessbussen. Den digitale stasjonen, kjennetegnet av forbedret samvirkeevne og sanntidsytelse, er i stor grad avhengig av denne prosessbussen for effektiv kommunikasjon og informasjonsutveksling innenfor systemet. Overgangen fra konvensjonelle til digitale stasjoner reiser imidlertid bekymringer angående påliteligheten til kraftsystemer. Denne studien undersøker pålitelighetsegenskapene til digitale stasjoner sammenlignet med konvensjonelle stasjoner, samt en analyse av hvordan ulike prosessbussarkitekturer påvirker systemets pålitelighet, med en undersøkelse av protokollene High-availability Seamless Redundancy (HSR) og Parallel Redundancy Protocol (PRP). Studien benytter pålitelighetsblokkdiagrammer for å utføre denne pålitelighetsanalysen, samt for å evaluere vedlikeholdstider og robustheten til systemer som ikke kan repareres sammenlignet med reparerbare systemer. Forskningen identifiserer og analyserer også potensielle feilmoduser i digitale stasjoner.

Resultatene fra studien indikerer at påliteligheten til en konvensjonell stasjon overgår den til en digital stasjon på grunn av færre potensielle sviktområder. Likevel viser forskningen potensial for forbedring av den digitale systemets pålitelighet, der det ble funnet at inkludering av dupliserte komponenter, en stjerne Ethernet-topologi og PRP-protokollen er et godt alternativ. Feilmodusanalysen avslørte at Ethernet-kommunikasjonsnettverket introdusert med prosessbussen er den største sårbarheten i den digitale stasjonen. Imidlertid kan en effektiv nettverkstopologi kombinert med robuste redundansprotokoller forbedre påliteligheten. Denne studien antyder derfor at en kombinasjon av PRP-protokollen og en stjerne Ethernet-topologi kan være en lovende løsning for å forbedre påliteligheten til digitale stasjoner.

This master's thesis investigates the reliability of digital substations utilizing the IEC 61850 process bus. The digital substation, characterized by enhanced interoperability and real-time performance, relies heavily on this process bus for effective communication and information exchange within the system. However, the transition from conventional to digital substations raises concerns about the reliability of power systems. This study investigates the reliability attributes of digital compared to a conventional substation along with an analysis of how different process bus architectures impact the system's reliability, with an examination of the High-availability Seamless Redundancy (HSR) and Parallel Redundancy Protocol (PRP) protocols. The study employs reliability block diagrams to conduct this reliability analysis and to also evaluate maintenance times, and resilience of non-repairable versus repairable systems. The research also identifies and analyzes potential failure modes in digital substations.

Findings from the study indicate that the reliability of a conventional substation surpasses that of a digital one due to fewer points of failure. Yet, the research reveals potential enhancement of the digital system's reliability where it was found that the incorporation of duplicate components, star Ethernet topology, and the PRP protocol is a good option. The failure modes analysis revealed that the Ethernet communication network introduced with the process bus is the greatest vulnerability in the digital substation. Although, an efficient network topology integrated with robust redundancy protocols could improve reliability. This study, therefore, suggests that a combination of PRP protocol with a star Ethernet topology could be a promising solution for enhancing the reliability of digital substations.