PSCAD Simulations of Distance Protection Performance in a Grid with high Wind Power Penetration

Abstract

Distansevern anses å være det mest pålitelige vernet når det kommer til å beskytte høyspentlinjer. Dette er kanskje ikke tilfelle lenger, da andelen av fornybare energikilder blir en vesentlig større del av kraftsystemet. Ved å introdusere store mengder av fornybare energikilder, forventes det at distansevern vil få problemer med impedansmålingene, som vil føre til uønskede situasjoner.

I denne masteravhandlingen brukes PSCAD for å simulere hvordan distansevern takler en høy andel fornybar energikilde koblet til høyspentnettet. Det er utviklet en modell i samarbeid med Statnett og SINTEF, som skal representere et system på Fosen, hvor det er vindparker tilkoblet 420kV-nettet. Statnett har uttrykt bekymring for at deres distansevern i Fosen kan oppleve feil, hvor flere vindparker ble ferdigstilt i 2020.

For å undersøke dette er det utført flere simuleringer der forskjellige parametere brukes for å observere deres innvirkning på distansevernene. Det er totalt fem parametere som endres, feiltype, feilmotstand, feilavstand, vindpark kontroll-strategi og andel vindkraft ifh. vanlig synkrongenerator-kraft. Dette har gitt totalt 1080 simuleringer. Det er tre spørsm˚al som utgjør hovedm˚alet med denne masteravhandlingen;

1. Hvordan påvirker feilmotstand feildeteksjonen til distansevern? 2. Hvordan påvirker vindparkens økte effektniv˚a distansevernets pålitelighet? 3. Hvilken vindpark kontroll-strategi er den mest pålitelige, og hvilken har mest negativ innvirkning?

Spørsmål 1: Økningen i feilmotstand har stor innvirkning på distansevernenes evne til å oppdage feil. Dette skyldes den uforutsigbare strømmen fra vindparker sammenlignet med sentralnettet som er dominert av synkrongeneratorer. Dette vil føre til at distansevern måler en unøyaktig impedans og feiltolker hvilken sone feilen ligger i. Det er spesielt vernet nærmest vindparken som blir påvirket, mens de andre vernene observerer enten ingen eller veldig få feilsituasjoner.

Spørsmål 2: For høyere andel av vindkraft tilknyttet sentralnettet, påvirkes distansevernene i økende grad. Det er hovedsakelig utført simuleringer for ekstrem tilfeller av vindkraft (mulige fremtidige scenarioer), 50% - 100%. Resultatene viser til at det er en klar indikasjon på at jo høyere nivået er, jo flere feiloperasjoner har vernet.

Spørsmål 3: De tre vindpark kontroll-strategiene som er testet i dette prosjektet er; konstant aktiv effekt, konstant reaktiv effekt og balanserte strømmer. Det konkluderes med at strategien for konstant reaktiv kraft er den mest pålitelige for distansevern, og Balanserte strømmer strategien har den mest negative påvirkningen på vernene.

Distance relays are considered to be the most reliable protection for transmission lines. This may not be the case anymore, as the share of renewable energy sources (RES) becomes a more substantial part of the power system. By introducing a large amount of RES there are expected problems to arise for distance relays ability to measure the correct fault impedance, which will lead to faulty operations.

This master thesis uses PSCAD to simulate the performance of the distance protection function in distance relays, for high penetration of wind power. It is developed a system model in cooperation with Statnett and SINTEF, to make a representable model of a system at Fosen, where there are wind farms connected to the 420kV grid. Statnett has raised concerns that their distance relays in Fosen may experience faulty operations, where multiple wind farms were finalized in 2020. To investigate this, there are performed multiple simulations where different parameters are used to observe their impact on distance protection performance. There are used five changeable parameters, fault type, fault resistance, fault distance, wind farm control strategy, and wind power penetration level, bringing out a total of 1080 simulations. The main objectives for this thesis has been formulated into three questions which are going to be answered.

1. How does fault resistance impact distance relays fault detection capability? 2. How does the increased penetration level of wind power influence protection performance? 3. What wind farm control strategies are the most reliable, and which has the most negative impact on protection performance?

Question 1: The increase in fault resistance has a great impact on distance relays fault detection capability. This is due to the unpredictable current from wind farms compared to the main grid which is dominated by synchronous generators. This will lead to an under-or overreach situation for the relay. It is especially the relay closest to the wind farm that suffers the most, the other relays have either none or very few misoperations.

Question 2: With increasing wind power penetration levels, distance relay performance is greatly impacted. There have been performed simulations for extreme future scenarios, with penetration levels of 50% - 100%, where it is a clear indication, that the higher the penetration level, the more misoperations the relays encounter.