Design of protection schemes for power distribution networks with distributed generation

Abstract

The prospect of mass integration of distributed generation poses serious challenges for the operation of modern distribution networks. One of these challenges regards the reliable operation of the protection scheme. Specifically, the short-circuit current contribution of distributed generators and the appearance of bi-directional short-circuit current flow conditions can compromise the sensitivity and security of conventional overcurrent protection schemes. Moreover, future distribution networks with DG are envisioned operating in a ring-type or meshed configuration, besides the conventional radial configuration, as well as switching between the gridconnected and the islanded mode, in order to enhance their reliability. These new system conditions further impose reconsidering traditional distribution network protection practices. Given that the design of complete protection solutions for distribution networks with distributed generation is still under research worldwide, the main goal of the present thesis is to propose practical protection schemes for such applications, addressing any relevant protection issue.The design of protection schemes for radial distribution networks with distributed generation is initially studied in this thesis. Distance protection is considered for this purpose, due to its significant advantages compared to other protection principles. In order to design a complete distance-based protection solution, suitable for distribution networks with distributed generation, several factors affecting distance protection performance have to be analyzed. At first, the effect of zero-sequence compensation factor on distance relays protecting distribution networks against ground faults is examined. Theoretical and simulation-based analysis shows that, unlike homogeneous transmission networks, the zero-sequence compensation factor affects the impedance calculation accuracy of distance relays in inhomogeneous overhead distribution networks. In addition, it is observed that the effect of zero-sequence compensation factor follows a specific pattern, when common overhead distribution network conductors are considered. Based on this pattern, a simple methodology for properly setting zero-sequence compensation factor in such applications is proposed, validated through simulations in a test radial distribution network.After that, the infeed effect of intermediate distributed generation, as well as the effect of fault resistance on distance protection is studied, both theoretically and through simulations in a test distribution network. In fact, this study focuses on the particularities of this effect in distribution network applications.Based on the above analysis and the protection requirements of radial distribution networks, complete guidelines are subsequently proposed, regarding the design of distance protection schemes for radial distribution networks with distributed generation. After being described step-by-step, these guidelines are applied to an actual radial overhead and an actual radial underground distribution network with distributed generation.Next, this thesis focuses on the protection of ring-type and meshed distribution networks with distributed generation, able to operate in both the grid-connected and the islanded mode. Within this context, a pilot distance protection scheme is initially proposed, accompanied by a detailed relay setting methodology. Although inspired from traditional pilot distance protection schemes, applied to transmission networks, this protection scheme is suitably designed for the needs of distribution network applications. The applicability and the efficiency of the proposed pilot distance protection scheme is demonstrated through simulations in a test meshed distribution network with distributed generation.As a next step, protection design complexity in distribution networks with distributed generation is addressed, especially those operating in a ring-type or meshed configuration and being able to switch between the grid-connected and the islanded mode. In particular, a communication-assisted plug-and-play protection scheme is proposed for this purpose. This protection scheme does not require user-defined settings, normally resulting from a simulation study, and is, as far as possible, independent of a specific distribution network. The plug-and-play protection scheme is tested through an extensive simulation study, considering different fault/system scenarios.Finally, the present thesis proposes an undervoltage protection function for distributed generators connected to distribution networks, which is adjusted to the recent universal low-voltage-ride-through requirements, included in the IEEE Standard 1547-2018. Among others, these requirements regard consecutive low-voltage disturbances (which are mainly due to reclosing operations), whose cumulative effect is taken into account by the proposed undervoltage protection function. The function’s performance is evaluated by simulating different low-voltage disturbance scenarios, considering both a programmable voltage source and a distributed generator connected to an actual distribution network.

Η προοπτική αυξημένης διείσδυσης διεσπαρμένης παραγωγής στα δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, καθιστά το τεχνικό πλαίσιο λειτουργίας τους ιδιαίτερα απαιτητικό. Μεταξύ άλλων σχετικών ζητημάτων που πρέπει να επιλυθούν, ο σχεδιασμός καινοτόμων σχημάτων προστασίας καθίσταται επιτακτικός. Η ανάγκη αυτή πηγάζει κυρίως από τη συνεισφορά των μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής στο ρεύμα βραχυκύκλωσης, καθώς και από την εμφάνιση συνθηκών αμφίδρομης ροής ισχύος στο δίκτυο, παράγοντες οι οποίοι μπορούν να επηρεάσουν την ευαισθησία και την ασφάλεια των συμβατικών σχημάτων προστασίας υπερεντάσεως. Επιπλέον, τα μελλοντικά δίκτυα διανομής με διεσπαρμένη παραγωγή αναμένεται να λειτουργούν σε κλειστή τοπολογία (ring-type/meshed), ή/και να εναλλάσσουν την κατάσταση λειτουργίας τους μεταξύ της διασυνδεδεμένης και της νησιδοποιημένης, προκειμένου να αυξηθεί η αξιοπιστία τους. Οι νέες αυτές συνθήκες οδηγούν σε αυξημένες απαιτήσεις υποδομής και λογικής λειτουργίας από τα σχήματα προστασίας. Συνεπώς, ενισχύουν περαιτέρω την ανάγκη αναθεώρησης των παραδοσιακών πρακτικών προστασίας στα δίκτυα διανομής. Ο σχεδιασμός σχημάτων προστασίας, κατάλληλων για δίκτυα διανομής με διεσπαρμένη παραγωγή, βρίσκεται στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος πολλών ερευνητών διεθνώς τα τελευταία χρόνια. Ένας μεγάλος αριθμός σχετικών δημοσιευμένων εργασιών προτείνει σχήματα προστασίας που βασίζονται στην προστασία υπερεντάσεως με έλεγχο κατεύθυνσης, ενώ άλλες εργασίες εφαρμόζουν διαφορετικές αρχές προστασίας, όπως η διαφορική προστασία και η προστασία αποστάσεως. Από την άλλη, κάποιες από τις προτεινόμενες λύσεις βασίζονται σε εναλλακτικές, μη συμβατικές αρχές/τεχνικές προστασίας, οι οποίες δεν αξιοποιούν τις δυνατότητες των εμπορικά διαθέσιμων ηλεκτρονόμων προστασίας. Ωστόσο, τα έως σήμερα προταθέντα σχήματα προστασίας για δίκτυα διανομής με διεσπαρμένη παραγωγή δεν αντιμετωπίζουν ταυτόχρονα όλα τα ζητήματα που σχετίζονται με την πληρότητα σχεδιασμού ή/και την πρακτικότητα του σχήματος. Στο πλαίσιο αυτό, αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί ο σχεδιασμός ολοκληρωμένων και πρακτικών λύσεων προστασίας για δίκτυα διανομής με διεσπαρμένη παραγωγή, οι οποίες λαμβάνουν υπόψη και αντιμετωπίζουν όλα τα σχετικά ζητήματα.Αρχικά, μελετάται o σχεδιασμός σχημάτων προστασίας για ακτινικά δίκτυα διανομής με διεσπαρμένη παραγωγή. Για το σκοπό αυτό, εξετάζεται η εφαρμογή της προστασίας αποστάσεως, λόγω των σημαντικών της πλεονεκτημάτων έναντι των υπολοίπων βασικών αρχών προστασίας. Τα πλεονεκτήματα αυτά είναι κυρίως η έμφυτη κατευθυντική λειτουργία (σε αντίθεση με την προστασία υπερεντάσεως με έλεγχο κατεύθυνσης) και η μη αναγκαία χρήση μέσων επικοινωνίας (σε αντίθεση με τη διαφορική προστασία). Προκειμένου να σχεδιαστεί μια ολοκληρωμένη λύση προστασίας για δίκτυα διανομής με διεσπαρμένη παραγωγή, με βάση την προστασία αποστάσεως, είναι απαραίτητη η ενδελεχής μελέτη διαφόρων παραγόντων που επηρεάζουν τη λειτουργία ενός ηλεκτρονόμου αποστάσεως. Μάλιστα, πρέπει να δοθεί έμφαση στις ιδιαιτερότητες της επίδρασης των παραγόντων αυτών σε εφαρμογές δικτύων διανομής, σε σχέση με τις παραδοσιακές εφαρμογές δικτύων μεταφοράς.Σαν πρώτο βήμα στην κατεύθυνση αυτή, μελετάται η επίδραση του συντελεστή αντιστάθμισης του ομοπολικού ρεύματος. Ο συντελεστής αυτός εισάγεται ως ρύθμιση σε έναν ηλεκτρονόμο αποστάσεως, προκειμένου να αντισταθμίσει την επίδραση του ομοπολικού ρεύματος κατά τα βραχυκυκλώματα με επαφή γης, και η τιμή του εξαρτάται από τη σύνθετη αντίσταση του προστατευόμενου αγωγού. Λόγω του ότι τα δίκτυα διανομής (κυρίως τα εναέρια) είναι ανομοιογενή ως προς τον τύπο του αγωγού που τα απαρτίζει, η επιλογή μιας τιμής ρύθμισης του συντελεστή αντιστάθμισης του ομοπολικού ρεύματος, η οποία οδηγεί σε ακριβή υπολογισμό της σύνθετης αντίστασης από τον ηλεκτρονόμο αποστάσεως για κάθε βραχυκύκλωμα, δεν είναι δυνατή. Στο πλαίσιο της διατριβής, αυτό διαπιστώνεται μέσω θεωρητικής ανάλυσης, καθώς και μέσω μελέτης προσομοιώσεων. Παράλληλα, θεωρώντας κοινούς τύπους αγωγών που συναντώνται σε εναέρια δίκτυα διανομής, παρατηρείται ότι η επίδραση του εν λόγω συντελεστή στην απόδοση ενός ηλεκτρονόμου αποστάσεως ακολουθεί ένα συγκεκριμένο πρότυπο. Με βάση αυτό το πρότυπο, σχεδιάζεται μια απλή μεθοδολογία ρύθμισης του συντελεστή αντιστάθμισης του ομοπολικού ρεύματος, η οποία διασφαλίζει τον εντοπισμό του βραχυκυκλώματος εντός της επιθυμητής ζώνης προστασίας αποστάσεως. Η επαλήθευση της μεθοδολογίας αυτής πραγματοποιείται μέσω προσομοιώσεων σε δοκιμαστικό ακτινικό δίκτυο διανομής.Στη συνέχεια, μελετάται η επίδραση της ενδιάμεσης τροφοδότησης ενός βραχυκυκλώματος από μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής, καθώς και της αντίστασης σφάλματος, στην απόδοση των ηλεκτρονόμων αποστάσεως, με έμφαση στις ιδιαιτερότητες της επίδρασης αυτής σε εφαρμογές δικτύων διανομής. Στο πλαίσιο αυτό, πραγματοποιείται τόσο θεωρητική ανάλυση, όσο και ανάλυση μέσω προσομοιώσεων. Όσον αφορά την επίδραση της ενδιάμεσης τροφοδότησης ενός βραχυκυκλώματος από μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής, διαπιστώνεται πως, πέρα από τον τύπο των μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, η ένταση και η φύση της επίδρασης αυτής εξαρτάται από διάφορες άλλες παραμέτρους, όπως είναι ο συντελεστής διείσδυσης της διεσπαρμένης παραγωγής, το σημείο διασύνδεσης των μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής και το μέγεθος των αγωγών που απαρτίζουν τη γραμμή διανομής. Αξιοσημείωτο εύρημα της σχετικής μελέτης αποτελεί το γεγονός ότι, πέρα από τα, γνωστά από παραδοσιακές εφαρμογές σε δίκτυα μεταφοράς, φαινόμενα περιορισμού κάλυψης (underreach) ζώνης προστασίας, τα οποία οδηγούν τον ηλεκτρονόμο αποστάσεως σε υπολογισμό μεγαλύτερης αντίδρασης από την πραγματική (δηλαδή αυτή που αντιστοιχεί στη θέση του βραχυκυκλώματος), η ενδιάμεση τροφοδότηση ενός βραχυκυκλώματος από μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής μπορεί να οδηγήσει και σε φαινόμενα υπερκάλυψης (overreach) ζώνης προστασίας, κατά τα οποία ο ηλεκτρονόμος υπολογίζει μικρότερη αντίδραση από την πραγματική.Όσον αφορά την επίδραση της αντίστασης σφάλματος, αυτή οδηγεί σε σφάλματα υπολογισμού της σύνθετης αντίστασης από τον ηλεκτρονόμο αποστάσεως, ενώ, και σε αυτήν την περίπτωση, αξιοσημείωτα είναι τα φαινόμενα υπερκάλυψης ζώνης προστασίας που μπορούν να παρουσιαστούν λόγω της συνεπίδρασης της αντίστασης σφάλματος και του συντελεστή αντιστάθμισης του ομοπολικού ρεύματος κατά τα βραχυκυκλώματα με επαφή γης. Σημειώνεται ότι το φορτίο του δικτύου προ του σφάλματος επηρεάζει επιπρόσθετα την απόδοση ενός ηλεκτρονόμου αποστάσεως.Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα της μελέτης των ανωτέρω παραγόντων, αλλά και τις απαιτήσεις προστασίας ενός ακτινικού δικτύου διανομής, στη συνέχεια προτείνονται ολοκληρωμένες κατευθυντήριες οδηγίες για το σχεδιασμό σχημάτων προστασίας αποστάσεως σε ακτινικά δίκτυα διανομής με διεσπαρμένη παραγωγή. Οι κατευθυντήριες αυτές οδηγίες βασίζονται στην εφαρμογή μιας σειράς από κριτήρια ρύθμισης των ηλεκτρονόμων αποστάσεως, τα οποία λαμβάνουν υπόψη την επίδραση όλων των σχετικών παραγόντων, καθώς και την επιλογική συνεργασία μεταξύ των μέσων προστασίας. Επιπρόσθετα, αξιοποιούν τις δυνατότητες εμπορικά διαθέσιμων ηλεκτρονόμων αποστάσεως, ενώ αποσκοπούν στην εγκατάσταση του μικρότερου δυνατού αριθμού ηλεκτρονόμων, χωρίς τη χρήση μέσων επικοινωνίας. Η δυνατότητα εφαρμογής των προτεινόμενων κατευθυντήριων οδηγιών αποδεικνύεται κατά το σχεδιασμό ενός σχήματος προστασίας αποστάσεως για πραγματικό ακτινικό εναέριο και πραγματικό ακτινικό υπόγειο δίκτυο διανομής με διεσπαρμένη παραγωγή.Επόμενο βήμα της παρούσας διατριβής αποτελεί ο σχεδιασμός σχημάτων προστασίας για κλειστά (ring-type/meshed) δίκτυα διανομής με διεσπαρμένη παραγωγή, τα οποία δύνανται να λειτουργούν τόσο σε κατάσταση διασυνδεδεμένης λειτουργίας, όσο και σε κατάσταση νησιδοποιημένης λειτουργίας. Στο πλαίσιο αυτό, αρχικά προτείνεται ένα πιλοτικό σχήμα προστασίας αποστάσεως, συνοδευόμενο από λεπτομερή μεθοδολογία ρύθμισης των αντίστοιχων ηλεκτρονόμων. Η μεθοδολογία αυτή παράγει ένα μόνο σετ ρυθμίσεων, το οποίο είναι κατάλληλο για κάθε σενάριο λειτουργίας του προστατευόμενου δικτύου. Δεδομένου ότι τα δίκτυα κλειστής τοπολογίας έχουν αυξημένες απαιτήσεις αξιόπιστης λειτουργίας, το προτεινόμενο σχήμα προστασίας χρησιμοποιεί πολλαπλούς ηλεκτρονόμους αποστάσεως, καθώς και μέσα επικοινωνίας, προκειμένου να μεγιστοποιήσει την αξιοπιστία και την ταχύτητά του. Το εν λόγω σχήμα είναι σχεδιασμένο ώστε να λαμβάνει υπόψη τις ιδιαιτερότητες των δικτύων διανομής (π.χ. ανάγκη επιλογικής συνεργασίας των ηλεκτρονόμων αποστάσεως με τα μέσα προστασίας των διακλαδώσεων), ενώ αντιμετωπίζει την επίδραση όλων των παραγόντων που επηρεάζουν την προστασία αποστάσεως.Η εφαρμοζόμενη λογική προστασίας/επικοινωνίας βασίζεται κατά κύριο λόγο σε σήματα εντολής ανοίγματος διακόπτη ισχύος (transfer trip signals), ενώ μια λογική βασισμένη σε σήματα συγκράτησης (blocking signals) εφαρμόζεται σε ειδικές περιπτώσεις ασθενούς τροφοδότησης των ηλεκτρονόμων (weak-infeed conditions). Αξιοποιώντας κατάλληλα τη δυνατότητα των κοινών ηλεκτρονόμων αποστάσεως να ενεργοποιούν περισσότερες από μία ζώνες προστασίας, καθίσταται δυνατή η αποδέσμευση της χρονικής καθυστέρησης που εφαρμόζεται κατά την προστασία των τμημάτων της κύριας γραμμής του δικτύου, από την αυξημένη χρονική καθυστέρηση που εφαρμόζεται κατά την προστασία διακλαδώσεων (για λόγους επιλογικής συνεργασίας της προστασίας), χωρίς να απαιτείται η εγκατάσταση διαφορετικών ηλεκτρονόμων για το σκοπό αυτό. Το προτεινόμενο πιλοτικό σχήμα προστασίας αποστάσεως αξιολογείται μέσω της εφαρμογής του σε δοκιμαστικό κλειστό (meshed) δίκτυο διανομής με διεσπαρμένη παραγωγή.Ένα ακόμη ζήτημα που μελετάται στην παρούσα διατριβή αφορά την αυξημένη πολυπλοκότητα σχεδιασμού της προστασίας σε δίκτυα διανομής με διεσπαρμένη παραγωγή, ειδικά σε δίκτυα κλειστής τοπολογίας, τα οποία λειτουργούν τόσο σε διασυνδεδεμένη, όσο και σε νησιδοποιημένη κατάσταση. Στο πλαίσιο αυτό, προτείνεται ένα “plug-and-play” σχήμα προστασίας, το οποίο χρησιμοποιεί πολλαπλούς ηλεκτρονόμους, καθώς και μέσα επικοινωνίας. Το εν λόγω σχήμα προστασίας δεν απαιτεί την εισαγωγή ρυθμίσεων, οι οποίες κανονικά προκύπτουν από μελέτες προσομοιώσεων, καθώς βασίζεται σε προκαθορισμένες ρυθμίσεις. Οι ρυθμίσεις αυτές προσδιορίζονται στο πλαίσιο της διατριβής, και είναι όσο το δυνατόν ανεξάρτητες από ένα συγκεκριμένο δίκτυο διανομής. Το γνώρισμα αυτό αφορά και την επιλογική συνεργασία των “plug-and-play” ηλεκτρονόμων με τα μέσα προστασίας των διακλαδώσεων. Με τον τρόπο αυτό, ο μηχανικός προστασίας αποφορτίζεται από την ανάγκη εκπόνησης μιας απαιτητικής μελέτης προστασίας, καθώς και από την ανάγκη μελλοντικής αναθεώρησης των ρυθμίσεων των ηλεκτρονόμων, λόγω μεταβολών στο προστατευόμενο δίκτυο. Παράλληλα, εκμηδενίζεται το ρίσκο εσφαλμένης λειτουργίας του σχήματος προστασίας, λόγω της εισαγωγής εσφαλμένων ρυθμίσεων στους ηλεκτρονόμους. Επιπρόσθετα, η λογική του προτεινόμενου σχήματος προστασίας μπορεί να διακρίνει βραχυκυκλώματα που λαμβάνουν χώρα στην κύρια γραμμή, σε ζυγό της κύριας γραμμής, ή σε διακλάδωση, ώστε να εφαρμόζεται εκούσια χρονική καθυστέρηση μόνο στην τελευταία περίπτωση (για λόγους επιλογικής συνεργασίας της προστασίας).Οι “plug-and-play” ηλεκτρονόμοι σχεδιάζονται συνδυάζοντας κατάλληλα αρχές/τεχνικές προστασίας που συναντώνται σε εμπορικούς ηλεκτρονόμους. Η αξιοπιστία και η ταχύτητα του σχήματος προστασίας επιτυγχάνεται με την εφαρμογή λογικής προστασίας/επικοινωνίας που βασίζεται σε σήματα συγκράτησης, η οποία διασφαλίζει τη λειτουργικότητα του σχήματος ακόμα και στην περίπτωση απώλειας της κλειστής δομής του δικτύου. H καθολικότητα του “plug-and-play” σχήματος προστασίας επαληθεύεται μέσω εκτενούς μελέτης προσομοιώσεων σε περισσότερα του ενός δοκιμαστικά δίκτυα διανομής με διεσπαρμένη παραγωγή, θεωρώντας διαφορετικά σενάρια συστήματος/βραχυκυκλωμάτων.Τέλος, η παρούσα διατριβή θίγει τη σημασία της προσαρμογής της προστασίας υποτάσεως των μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής στις αντίστοιχες απαιτήσεις αδιάλειπτης λειτουργίας υπό χαμηλή τάση (low-voltage-ride-through). Συγκεκριμένα, κατά τη διάρκεια βραχυκυκλωμάτων, είναι επιθυμητό μια μονάδα να παραμένει συνδεδεμένη στο δίκτυο διανομής για όσο το επιβάλλουν οι ανωτέρω απαιτήσεις, χωρίς όμως να εξακολουθεί να εγχέει ρεύμα στο δίκτυο στη συνέχεια. Έτσι, μετριάζεται η καταπόνηση της μονάδας, καθώς και η επίδραση της παρατεταμένης διασύνδεσής της στην προστασία του δικτύου και στην προστασία έναντι ακούσιας νησιδοποίησης. Στο πλαίσιο αυτό, σχεδιάζεται ένα νέο στοιχείο προστασίας υποτάσεως για μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής, το οποίο κατά κύριο λόγο λειτουργεί βάσει των πρόσφατων καθολικών απαιτήσεων αδιάλειπτης λειτουργίας υπό χαμηλή τάση που περιλαμβάνονται στο πρότυπο ΙΕΕΕ 1547-2018. Οι απαιτήσεις αυτές αφορούν και την περίπτωση διαδοχικών διαταραχών πτώσης τάσης (που οφείλονται κυρίως στη λειτουργία αυτόματων επαναφορών), η αθροιστική επίδραση των οποίων λαμβάνεται υπόψη από το προτεινόμενο στοιχείο. Η ορθή λειτουργία του στοιχείου προστασίας υποτάσεως επαληθεύεται μέσω της προσομοίωσης διαφορετικών σεναρίων διαταραχών πτώσης τάσης, θεωρώντας τόσο μια προγραμματιζόμενη πηγή τάσης, όσο και γεννήτρια που συνδέεται σε πραγματικό δίκτυο διανομής.