Βελτιστοποίηση ρυθμίσεων στοιχείων υπερέντασης σε προσαρμοστικά ή μη συστήματα προστασίας σύγχρονων δικτύων διανομής και συστημάτων μεταφοράς

Abstract

This PhD dissertation is concerned with the development of novel methods, regarding the concept of adaptive protection systems in modern distribution networks and the automated calculation of optimal relay setting values for the overcurrent elements of adaptive or non-adaptive protection systems. The latter method is appropriate for distribution networks, where overcurrent elements are applied as primary protection, as well as for transmission systems, where overcurrent elements serve as backup to the main protection. As a first step, the fundamental principles of power system protection and the new features of modern protection systems are described. Moreover, the theory of fault analysis is explained concisely, providing the essential background for the comprehension of short-circuit current nature and protection techniques. Great emphasis is laid on the special case of double-phase-to-ground faults in effectively grounded power delivery networks, involving fault resistance. It is demonstrated that the presence of fault resistance can result in more severe faults than the bolted ones. Subsequently, a thorough literature review is conducted, regarding the protection issues arisen in modern distribution networks, owing to the presence of dispersed generation. The potential protection issues are investigated extensively, based on the technology, capacity and location of dispersed generating units. A representative part of the Hellenic distribution network is studied, which is characterised by high penetration of renewables, verifying the possibility of protection gaps. A complete protection solution based on modern techniques is proposed, which addresses the potential protection problems in active distribution networks, improving the traditional protection scheme of passive distribution networks. Adaptive protection systems have gained increasing interest in the last decade. Several pilot projects have been materialised, leveraging the superior performance of this solution. In this context, an adaptive protection testbed is developed, which simulates the examined distribution network, by means of a real-time digital simulator, supervises the network topology and connection status of dispersed generating units, with the use of a central controller, and adjusts automatically the setting values of employed protection relays, in case of a considerable change in network operation. The functionality of the proposed testbed is demonstrated through a series of hardware-in-the-loop tests, using off-the-shelf control and protection devices. Τhe engineering problem of calculating optimal setting values for the utilised overcurrent functions in modern digital relays, of either adaptive or non-adaptive protection systems, is stated as an optimisation problem, introducing a novel mathematical formulation. An innovative solution, which takes advantage of advanced optimisation techniques, is also proposed. Recently published works dealing with this problem are thoroughly reviewed and new mathematical models are developed, considering the engineering problem at length. The developed optimisation models are integrated with state-of-the-art solvers in a versatile software package, which automates the overcurrent element coordination study. The efficacy and high performance of the proposed method are demonstrated through its application to standard power systems used in the pertinent literature.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάπτυξη πρωτότυπων μεθόδων, όσον αφορά την εφαρμογή προσαρμοστικών συστημάτων προστασίας σε σύγχρονα δίκτυα διανομής και τον αυτοματοποιημένο υπολογισμό βέλτιστων τιμών ρύθμισης για τα στοιχεία υπερέντασης προσαρμοστικών ή μη συστημάτων προστασίας, τόσο σε δίκτυα διανομής, όπου τα στοιχεία υπερέντασης παρέχουν πρωτεύουσα προστασία, όσο και σε συστήματα μεταφοράς, όπου τα στοιχεία υπερέντασης παρέχουν επικουρική προστασία επιπλέον της κύριας. Αρχικά, αναλύονται οι βασικές αρχές που διέπουν την προστασία συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας και παράλληλα περιγράφονται τα χαρακτηριστικά των σύγχρονων συστημάτων προστασίας. Επίσης, παρουσιάζεται περιεκτικά η θεωρία ανάλυσης βραχυκυκλωμάτων, παρέχοντας το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο για την κατανόηση της φύσης των ρευμάτων βραχυκύκλωσης και των τεχνικών προστασίας. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην ειδική περίπτωση του διφασικού βραχυκυκλώματος προς γη με αντίσταση σφάλματος σε επαρκώς γειωμένα δίκτυα, διερευνώντας τις συνθήκες υπό τις οποίες η παρουσία αντίστασης δεν περιορίζει το φασικό ρεύμα σφάλματος, αλλά αντίθετα οδηγεί σε αύξησή του. Εν συνεχεία, εκπονείται εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση, αναφορικά με τα προβλήματα προστασίας που ανακύπτουν στα σύγχρονα δίκτυα διανομής από την παρουσία διεσπαρμένης παραγωγής. Τα ενδεχόμενα προβλήματα προστασίας διερευνώνται διεξοδικά, συναρτήσει της τεχνολογίας, της εγκατεστημένης ισχύος και της θέσης εγκατάστασης των μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής. Η πιθανότητα εμφάνισής τους επιβεβαιώνεται σε αντιπροσωπευτικό τμήμα του Ελληνικού δικτύου διανομής, το οποίο χαρακτηρίζεται από υψηλή διείσδυση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Για την πλήρη αντιμετώπιση των ενδεχόμενων προβλημάτων προστασίας σε ενεργά δίκτυα διανομής προτείνεται ολοκληρωμένη λύση, η οποία βελτιώνει το παραδοσιακό σχήμα προστασίας παθητικών δικτύων διανομής, χρησιμοποιώντας σύγχρονες τεχνικές. Τα προσαρμοστικά συστήματα προστασίας αποτελούν τη δημοφιλέστερη μέθοδο προστασίας ενεργών δικτύων διανομής. Στο πλαίσιο αξιολόγησης της συγκεκριμένης μεθόδου, αναπτύσσεται πρότυπη εργαστηριακή διάταξη, η οποία προσομοιώνει το εξεταζόμενο δίκτυο διανομής, με τη χρήση ψηφιακού προσομοιωτή πραγματικού χρόνου, επιτηρεί αδιάλειπτα την τοπολογία του δικτύου, με τη χρήση κεντρικής μονάδας ελέγχου και προσαρμόζει αυτόματα τις ομάδες ρυθμίσεων των εμπλεκόμενων ηλεκτρονόμων προστασίας, σε περίπτωση σημαντικής αλλαγής της λειτουργικής κατάστασης του δικτύου. Η λειτουργικότητα του προσαρμοστικού συστήματος προστασίας επιδεικνύεται μέσω σειράς δοκιμών κλειστού βρόχου, χρησιμοποιώντας πραγματικές συσκευές προστασίας και ελέγχου. Για το τεχνικό πρόβλημα υπολογισμού βέλτιστων τιμών ρύθμισης των χρησιμοποιούμενων στοιχείων υπερέντασης στους σύγχρονους ψηφιακούς ηλεκτρονόμους, προσαρμοστικών ή μη συστημάτων προστασίας, προτείνεται πρωτότυπη μαθηματική διατύπωση και καινοτόμος μέθοδος επίλυσής του, με χρήση προχωρημένων τεχνικών βελτιστοποίησης. Παρουσιάζονται εκτενώς οι πρόσφατες μέθοδοι που έχουν προταθεί στη διεθνή βιβλιογραφία και, εν συνεχεία, αναπτύσσονται νέα μαθηματικά μοντέλα, τα οποία καλύπτουν πλήρως το τεχνικό πρόβλημα. Τα εν λόγω μοντέλα βελτιστοποίησης, καθώς και οι προηγμένοι αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται για την επίλυσή τους, ενσωματώνονται σε ένα πολυχρηστικό πακέτο λογισμικού, το οποίο αυτοματοποιεί τη μελέτη επιλογικής συνεργασίας των στοιχείων υπερέντασης. Η αποδοτικότητα και η υψηλή επίδοση της προτεινόμενης μεθόδου επιδεικνύονται μέσω εφαρμογής της σε πρότυπα ηλεκτρικά δίκτυα της σχετικής βιβλιογραφίας.