Funksjonstesting av relévern i digitale transformatorstasjoner
Master thesis
View/ Open
Date
2019Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for elkraftteknikk [2576]
Abstract
I det moderne samfunn blir folk stadig mer avhengige av strømforsyning fra det elektriske kraftnettet. Transformatorstasjoner er en sentral del av kraftnettet, da de tillater transformering mellom spenningsnivåer og er installert med relévern som forhindrer skade på kritiske komponenter under feilsituasjoner. De siste årene har man sett starten på en overgang fra konvensjonelle til digitale transformatorstasjoner, der analog kommunikasjon gjennom parallelle kobberkabler erstattes med digital kommunikasjon over en optisk kommunikasjonskanal. Digitale transformatorstasjoner innfører grunnleggende endringer i noen sentrale momenter ved transformatorstasjoner, blant annet hvordan testprosedyrer for relévern kan utføres. For å hjelpe denne overgangen har IEC 61850-standarden blitt innført for å gi standardisering av den digitale kommunikasjonen i slike transformatorstasjoner, samt en del verktøy som kan brukes til testing av disse.
Selv om teorien bak digitale transformatorstasjoner og deres teknologi har blitt allment akseptert innen industrien, er det fortsatt få som har praktisk erfaring med bruk av disse. Enda færre har utviklet effektive testprosedyrer for relévern i digitale transformatorstasjoner. Hovedformålet med denne oppgaven er å bidra til å fylle dette gapet ved å analysere hvordan testing av relévernsfunksjonalitet kan utføres i en digital transformatorstasjon. Et småskala digitalt transformatorstasjons-miljø har blitt satt opp, og oppsett og konfigurering av dette er beskrevet for å gi dokumentasjon på hvordan dette kan gjøres i NTNU sitt relévernslaboratorium. Dette inkluderer et testsett for relévern som kan simulere og publisere både GOOSE- og SV-meldinger over en optisk kommunikasjonskanal, samt et relévern med støtte for digital kommunikasjon. Relévernet er i stand til å bearbeide digitale måleverdier og publisere resulterende GOOSE-meldinger.
Et sett med laboratorieforsøk utføres for å verifisere den digitale kommunikasjonen, samt å verifisere grunnleggende krav for relévern som stabilitet ved normale lastsituasjoner og eksterne feil, og vellykket håndtering av interne feil. Testverktøyene innført i IEC 61850 er beskrevet og vist i praksis i laboratorieoppsettet, men dette introduserer noen problemer. Det er mulig å generere GOOSE- og SV-meldinger fra testsettet, men det vises en mangel på IED-testmodus som beskrevet i IEC 61850 for relévernene som er installert i NTNU sitt relévernslaboratorium.
Det er ønsket å generalisere det etablerte laboratorieoppsettet for å kunne erstatte det benyttede relévernet med relévern fra andre leverandører, noe som videre kan brukes for å overføre laboratorieoppsettet til praktiske digitale transformatorstasjoner. Dette er generelt mulig ved å bruke SCL-filer som definert i IEC 61580, der CID-filer er kritiske for dette formålet. Disse gir en standardisert beskrivelse av konfigurasjonen for hvert digitale relévern i stasjonen, noe som gjør det mulig å overføre parameterne som trengs for å konfigurere GOOSE- og SV-kommunikasjon, samt IED-funksjoner og datamodellering, mellom relévern og testsett. In modern society, people are becoming increasingly dependent upon power supply from electricity. Substations are a vital part of electrical power grid operation, as they allow for transformation between voltage levels and house protective relays that prevent damage to power grid components during faulty grid situations. In recent years, a transition from conventional to digital substations has been introduced by making the communication between process and bay level equipment digital over optical communication networks rather than analog over point-to-point copper cables. Digital substations introduce fundamental changes to critical substation operations, including test procedures for protective relays. To facilitate this process, the IEC 61850 standard has been introduced to give standardization of digital substation communication, as well as providing tools that can be utilized for testing purposes in digital substations.
While digital substation technology has been widely accepted in theory within the industry, few power utilities have hands-on experience with this, and even fewer have developed efficient testing procedures for relays in digital substations. The primary purpose of this thesis is to contribute towards filling this gap by analyzing how functional testing of protective relays may be performed in a digital substation environment. A digital substation laboratory setup is successfully established, and its equipment and configuration are described to provide documentation of how this can be done. The setup includes a test set that can simulate and inject both GOOSE and SV messages over a process bus, to which a relay with digital communication capabilities is connected. The relay algorithm is able to process digital messages and publish GOOSE trip messages accordingly.
A set of laboratory experiments are performed to verify this communication, as well as verifying fundamental relay requirements like stability at load situations and external faults, and successful clearing of internal faults. IEC 61850 testing tools are also described and put into practice in the laboratory setup, but this introduces some problems. While it is possible to generate GOOSE and SV messages from the test set, a lack of IED test mode as described in IEC 61850 is shown for the relays installed in the NTNU relay laboratory.
It is wanted to generalize the established laboratory setup to allow for replacing the utilized relay with relays from different vendors, and further translate the laboratory setup into full digital substations. This is in general possible by utilizing SCL files defined in IEC 61580, where CID files are critical for this purpose. These give a standardized description of IED configuration, which allows for transferring the parameters needed to configure GOOSE and SV communication, as well as IED functionalities and data modeling, between relays and test sets.