Traveling Wave Fault Location on HVDC-MMC Transmission Lines

Abstract

Med et økende behov for elektrisk energi, har høyspentsystemer med likestrøm (HVDC) blitt mer populært. Disse systemene har flere fordeler sammenlignet med høyspentsystemer basert på vekselstrøm (HVAC), blant annet ved at de kan transportere mer energi med minimalt tap. Vandrebølgevern er et godt valg for HVDC-systemer. Dette gir også muligheter for bruk av feillokalisering ved hjelp av vandrebølger (TWFL). I denne oppgaven er det utviklet feillokaliseringsalgoritmer basert på vandrebølger for bruk på HVDC-feil og andre netthendelser. Et HVDC-system bestående av modulære flernivå-omformere (MMC) er modellert i PSCAD. Denne modellen er en hybrid transmisjonslinje basert på NordLink-forbindelsen. Fase-jord-feil og lynnedslag har blitt påført på luftledningen. Utkobling av nærliggende AC-nett har også blitt simulert. Til slutt har en enkel DC-modell blitt laget og fase-jord-feil har blitt simulert for å sammenligne denne modellen med den originale HVDC-MMC-modellen.

Ensidige og tosidige TWFL-algoritmer har blitt utviklet, hvor diskret wavelettransformasjon (DWT) har blitt brukt for signalbehandling. Feillokaliseringen baserte seg på analyse av topp- og bunnpunktene til detaljkoeffisientene. Antall måleterminaler brukt var avhengig av om ensidig og tosidig feillokalisering ble brukt. Nøyaktigheten til feillokaliseringen varierte med de ulike simuleringstilfellene. Med varierende feilposisjoner og feilmotstander, klarte algoritmene i de fleste tilfeller å lokalisere feilstedet med en liten feilmargin. For en feilmostand på 100 Ω derimot, klarte ikke algoritmene å lokalisere feilen i alle tilfeller. Responsene var dempet, som forårsaket at detaljkoeffisientene var små. Ved å teste lynnedslag for forskjellige lynamplituder på luftledningen ga alle vandrebølgene både et toppunkt og et bunnpunkt i detaljkoeffisientene. Dette resulterte i at den ensidige TWFL-algoritmen feilet. Den tosidige algoritmen klarte å lokalisere alle feil. Utkobling av nærliggende AC-nett ga ingen feillokalisering.

Til slutt ble MMC-modellen sammenlignet med en forenklet DC-modell for å se om det er mulig å oppnå samme feilrespons og redusere simuleringsbelastningen. Resultatene av feillokaliseringen ble ikke påvirket av å bruke den forenklede modellen. Detaljkoeffisientene endret seg noe i verdi, men lokasjonen til bølgene i tidsaksen var like. Ved å bruke et mindre tidsskritt på 1 μs for DC-modellen, ble ikke feillokaliseringen like god sammenlignet med å bruke et tidsskritt på 2 μs.

With an increasing need for electric energy, high voltage direct current (HVDC) systems have become more popular. These systems have several advantages compared to high voltage alternating current (HVAC) systems, being able to transfer more power with minimal losses. Traveling wave protection is a suitable choice for HVDC lines, which also gives the possibility of utilizing traveling wave fault location (TWFL). In this thesis, a TWFL algorithm has been developed to investigate the fault location of HVDC faults and power system incidents occurring in the HVDC system. An HVDC system with modular multilevel converters (MMC) has been modeled using the PSCAD software. This model is a hybrid transmission line based on the NordLink interconnector. Faults such as pole-to-ground faults and lightning strikes have been applied on the overhead line. AC grid disconnection has also been simulated. Lastly, a DC voltage source model has been developed and pole-to-ground faults were applied, to compare this model to the original HVDC-MMC model.

Single-ended and double-ended TWFL algorithms were developed, utilizing discrete wavelet transformation (DWT) for signal processing. The fault location was based on the location of the detail coefficient peaks on one or both terminals, dependent on whether the single-ended or double-ended method was used. The accuracy of the fault location results was dependent on the different simulation cases. With varying fault positions and fault resistances, the algorithms mostly located the faults within reasonable errors. However, a fault resistance of 100 Ω caused fault location failure for both algorithms. The responses were more damped, causing the detail coefficient peaks to be low. When applying lightning strikes of different current amplitudes on the overhead line, the incoming waves resulted in both a positive and a negative detail coefficient peak. This resulted in fault location failures for the single-ended algorithm. The double-ended algorithm located the faults correctly. AC grid disconnection did not give fault location.

Lastly, the MMC model was compared to the DC voltage source model to investigate if it is possible to obtain the same fault response and reduce the computational load of the simulation. The fault location results were not affected by using this simplified model. The detail coefficients were slightly changed, but the peaks appeared at the same locations in time. By using a smaller time step of 1 μs in the DC source model, the fault location results were not as good compared to the sampling time of 2 μs.