Modeling Optical Current Transformers in a Digital Substation
Master thesis
Date
2022Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for elkraftteknikk [2500]
Abstract
Denne masteroppgaven fokuserer på teknologier i en digital transformatorstasjon , med et viderefokus på optiske strømtransformatorer og strømtransformatorers ytelse og interoperabilitetet sommating til et transformator differensialstrømsvern. Optiske strømtransformatorer har blitt mertilgjengelig de siste to siste ti år. Denne overgangen fra konvensjonelle strømtransformatorer tiloptiske strømtransformatorer utløser behovet for å utvikle komplette modeller av optiske strømtransformatorer.En slik model ville kunne definere ytelsen og interoperabiliteten til en slik teknologi før det blirtatt i bruk. Modellen vil også bli brukt til å undersøke feilkilder i det optiske systemet.
Denne oppgaven kartlegger de tradisjonelle og utradisjonelle strøm målemetodene som blir brukti dagens kraftsystemer. Fordeler og ulemper ved disse målemetodene blir undersøkt. Etter kartleggingenså blir en komplett modell av en åpen-kjerne massiv-glass optisk strømtransformatorutviklet og representert. Den optiske delen av modellen er basert på en modellering i ”finite elementmethod” (FEM) i et 2D-miljø. Den elektriske delen av modellen er basert på eksperimentelltutvinnet frekvensrespons data som grunnlag for en transferfunksjon. FEM modellering er valgtsom foretrukket optisk modelleringsteknikk da det leverer et mer fleksibelt modelleringsverktøy,og tillater modellering og simulering av flere ulineariterer som oppstår i optiske systemer.
Den komplette optiske strømtransformatormodellen er basert på en sammensetting av den elektriskeog den optiske modellen. Denne komplette modellen er plassert i en kraftsystemmodel og undersøkti forskjellige driftsscenarier. Modellens optiske ulinerariteter forårsaket av eksterne kilder er undersøkt.De eksterne kildene som har hatt fokus er: magnetiske felt på avveie, temperaturvariasjonerog vibrasjon. I tillegg til disse optiske fenomenene så er ytelsen og interoperabiliteten tilmodellen undersøkt i en faktisk differensialstrøms oppsett. I denne settingen er den komplette modellenav en optisk strømstransformator sammenlignet med en konvensjonell strømtransformator.Differensialtestene er utført ved å injisere en strøm av IEC61850 Sample Values inn til et SiemensSiprotec 5 7UT87 transformatorvern som måleverdier.
Oppgaven konkluderer med at åpen-kjerne massiv-glass optiske strømtransformatorer er godt egnetfor bruk i en digital transformatorstasjon. Det er godt egnet for å erstatte både målekjernerog vernkjerner i en transformatorstasjon. Den komplette modellen gir en god representasjonav optiske ulineariteter og ytelsen til en optisk strømtransformator. Den komplette modellenviser gode resultater i å øke nøyaktigheten og sensitiviteten i et transformator differensialvern.Dette gjør den ved å levere en høyere linearitet og båndbredde, sammenlignet med konvensjonellestrømtransformatorer. Åpen-kjerne massiv-glass optisk strømstransformatorer viser også storesårbarheter til ekstererne stress kilder, noe som må kompenseres for å få et driftssikkert anlegg. This work is focused on digital substation technologies, with a further attention to optical currenttransformers and their performance and interoperability in a differential protection setting. Opticalcurrent transformers have become a more accessible technology the last two decades. This transitionfrom a conventional current transformer design to an optical one stimulates the requirementto develop a complete model of a OPCT. The model would define the performance, interoperabilityand error sources that could possibly occur in a digital substation.
This thesis maps the present current transducer technologies used in substations, with focus ontheir pitfalls and positive aspects. Following the mapping of the present and future technology aoptical model of an open-core bulk-glass optical current transformer is developed and presented.This complete model is based of an optical model modelled by the use of a finite element methodin a 2D environment. The paper also presents an electrical model based on data experimentallyobtained frequency response data from an actual optical current transformer. FEM modelling ischosen as the preferred optical modelling technique because of its ability to simulate more non-idealand non-linear aspects of the optical current transformer.
The complete model is a combination of the optical and electrical model. This complete modelis deployed in a protection and control system, and examined in different operational scenarios.The model is examined for optical non-linearities caused by external sources. The external sourcesexamined are: Vibration, temperature changes and stray magnetic fields. In addition to the opticalphenomena, the performance and interoperability of the model is examined in a real-worlddifferential protection scenario where it’s compared to a conventional current transformer design.The differential protection relay tests are done by injecting a stream of IEC61850 Sample Valuesas measurements to a Siemens Siprotec 5 7UT87 transformer differential protection relay.
The conclusion is that open-core bulk-glass optical current transformers are well suited for applicationin a digital substation system, for accurate current measurements used for protection andmetering purposes. The complete model shows a good representation of the non-linearities, andrepresent an optical current transformer well. The optical current transformer shows great promisein increasing the accuracy and sensitivity of differential protection relays, by delivering highlinearity and bandwidth compared to conventional current transformer technologies. A drawbackshown in the open-core bulk-glass model is the vulnerability to external stressors. These stresseshave to be compensated or improved upon on to ensure a reliable operation of the optical currenttransformer.