Proposal and Evaluation of a New Short Circuit Protection Algorithm for Active Meshed Distribution Grids

Abstract

Masket drift av det høyspente distribusjonsnettet (DN) er en måte å motvirke fremtidig spenning og overbelastning-problematikk i DN grunnet økning i last og distribuert produksjon (DG). På grunn av økonomiske og algoritmiske begrensninger har imidlertid standard beskyttelsesmetoder pålitelighetsproblemer i et aktiv masket DN. Spesielt i seperatdrift med kun omformerbasert produksjon. Derfor var denne oppgavens primære mål å foreslå en fasefeil beskyttelsesalgoritme for et aktivt masket DN, å bygge en Hardware In the Loop (HIL) testbenk, og å evaluere forslaget ved hjelp av testbenken.

Mitt forslag var å kjøre de eksisterende CCA og IJump algoritmene parallelt. Begge algoritmene benytter endringen i positiv sekvens (PS) strøm under feil for å lokalisere feilen. Forventningen var at IJump lokaliserer feil i radielle forhold, mens CCA lokaliserer feil i maskede forhold. Oppgaven foreslo også ytterligere innstillinger, en hierarkisk struktur av reléer, og å benytte en utradisjonell måte for å beregne PS strøm.

HIL-testbenken besto av en OPAL-RT og fem datamaskiner i kredittkortstørrelse kalt Raspberry Pi (R-PI). OPALen simulerer DN med DG i sanntid. Den kommuniserer IEC61850 strømverdier til R-PI, som fungerer som relé. Relét var implementert med bruk av C-kode. Dersom et relé ser en mulig feil, vil den sende en IEC61850 GOOSE melding til OPALen. GOOSE meldingen kan medføre åpningen av en effektbryter i simuleringen.

Den foreslåtte algoritmen var pålitelig i normaldrift. Hovedresultatet til avhandlingen var at parallellkjøring av IJump og CCA på maskede linjer økte antall lokaliserte feil og reduserte frakoblingstiden. Forbedringen skyldes IJump uventede evne til å av og til lokalisere feil på maskede linjer. Mine foreslåtte tilleggsinnstillinger og krav til en frekvensestimator økte også antall observerte feil. Den utradisjonelle metoden benyttet for å beregne PS strøm påvirket ikke påliteligheten. Metoden er derimot ikke anbefalt, da den økte frakoblingstiden og har ingen vesentlige fordeler. Mens det nåværende offentlige 4G/5G-nettverket har for stor maksimum tidsforsinkelse, forventes det fremtidige offentlige 5G-nettverket å være en gjennomførbar løsning for langdistanse GOOSE-kommunikasjon. Det ble oppdaget at tre driftsscenarier har redusert pålitelighet: doble jordfeil, når linjestrøm før feil har effektfaktor nær null, og når linjestrømmen er på samme nivå, eller lavere, enn linjens ladestrøm.

Meshing the high voltage distribution network (DN) is a strategy to address future challenges related to voltage and overload issues caused by increased load and distributed generation (DG) in the DN. However, due to economic and algorithmic limitations, standard protection methods have reliability problems in an active meshed DN. Particularly in the case of islanded mode with only inverter-interfaced DG. Therefore, this thesis's primary objectives were to propose a phase-fault protection scheme for an active meshed distribution network, to build a Hardware In the Loop (HIL) test bench, and to evaluate the proposal using the HIL test bench.

The proposed algorithm was to run the existing CCA and IJump schemes in parallel. Both schemes utilize changes in positive sequence (PS) current during fault to locate the fault. IJump was expected to locate faults in radial conditions, while CCA was expected to locate faults in meshed conditions. The thesis also proposed additional settings, a hierarchical structure of relays, and the use of a non-traditional PS phasor calculation method.

The HIL test bench consists of an OPAL-RT and five credit card-sized computers called Raspberry Pi (R-PI). The OPAL simulates the DN with DG in real-time. It communicates IEC61850 current samples to the R-PI, which emulates the relay. The relay was implemented with C-code. In the event of a potential fault, the R-PI communicates an IEC61850 GOOSE message back to the OPAL. The GOOSE message can result in a circuit breaker opening in the simulation.

The proposed algorithm is reliable during normal operating scenarios. The thesis's main finding is that running IJump in parallel to CCA on meshed lines increased the number of faults seen and reduced the time to trip. The performance improvement stemmed from IJump’s unexpected ability to sometimes locate faults on meshed lines. The suggested additional settings and requirements for a crude frequency estimator also improved reliability. The non-traditional method of PS phasor calculation did not reduce reliability but was not recommended due to reduced speed and insignificant advantages. While the current public 4G/5G network has too large maximum delay, the future public 5G network is expected to be a feasible solution for long-distance GOOSE communication. Three operating scenarios were found to have decreased reliability: cross-country fault, pre-fault line flow with a power factor near zero, and when the pre-fault line current is less or comparable to the line charging current.