Power system protection in a smartgrid perspective

Prosjektet utforsket håndtering av feil i et stadig mer komplisert kraftnett med distribuert kraftproduksjon. Dette er ble gjort ved å kommunisere sanntidsinformasjon (synkroniserte målinger) fra nettet kombinert med fortløpende analyser. Prosjektet så på både distribusjons- og transmisjonsnett der mange kilder små krever et større systemperspektiv i tillegg til det tradisjonelle lokale. Prosjektet kom også med anbefalinger for relevern ved integrasjon av småkraft gjennom involvering av SINTEF bla. med oppdatering av SINTEF TR A 6343 (v2): "Tekniske retningslinjer for tilknytning av produksjonsenheter, med maksimum aktiv effektproduksjon mindre enn 10 MW, til distribusjonsnettet. Prosjektet var et samarbeid mellom NTNU Instituttene Elkraftteknikk og Informasjonssikkerhet og Telekommunikasjon og Michigan Teknologiske Universitet (MTU) i USA. Siden dette var det første prosjektet innen relevern på svært lenge var kompetanse- og nettverksbygging viktig. Prosjektet bidro i Norsk Smartgridsenter. Partnere var Statnett, ABB, Eidsiva, Hafslund, Lyse, Statkraft og Skagerak. Prosjektet utdannet fire doktorgradsstudenter innenfor skjæringspunktet mellom relevern og kommunikasjon. 15 masterstudenter ble utdannet innenfor prosjektet. Prosjektet etablerte og arrangerte nordisk seminar innen fagområdet i Trondheim i 2016 og 2017 med 40-50 deltagere fra nordiske universiteter (KTH, Chalmers, Aalborg, Vaasa, NTNU, Reykjavik i tillegg til Delft og Michigan Tech) samt industri og norske energiverk (ntnu.edu/prosmart/nw2017). Hovedhensikten var å lage en møteplass for nordiske forskergrupper, industribedrifter og energiverk med utveksling av informasjon for å fremme framtidig samarbeid. 14. mai 2018 ble seminaret arrangert på KTH i Stockholm med ca. 40 deltagere. I 2019 flyttet seminaret videre til Vaasa i Finland. En PhD student ved NTNU, Konstantin Pandakov, disputerte 14. desember 2018 over en avhandling med tittel "Improvement in protection of medium voltage resonant grounded networks with distributed sources". Arbeidet bestod av en del som omhandler bruk av distansevern i distribusjonsnett med kompensering av bidrag fra småkraft og en del som ser på nye metoder for feillokalisering i spolejorda nett. Metoden har vært transient og sanntids simulering og testing; implementasjon på mikroprosessorkort og sammenligning med siste generasjons relevern. En annen PhD student ved NTNU, Charles Adrah, tar sikte på å fullfør en avhandling om kommunikasjons- utfordringer og -løsninger for relevern tidlig 2020. En tredje PhD Student, Maciej Grebla, ble ansatt 10. mai 2017 og arbeider med øydrift og feilhåndtering i microgrid relevant for og delfinansiert av FME CINELDI. PhD studenten ved MTU, Jaya Yellajosula, disputerte 12. april 2019 over en avhandling med tittel "IEC 61850 based GOOSE and SV services for wide-area protection and automation". Dette arbeidet bestod av løsninger for kommunikasjon mellom kraftstasjoner, algorimer for å estimere tilstand (visere) og applikasjon innen stabilitet, øydrift og linejedifferensial. En annen (bonus) PhD student ved MTU, Zagros Shahooei, delvis tilknyttet prosjektet, disputerte 4. mai 2017 over en avhandling med tittel "Time-Domain Voltage Stability Assessment and Wide-Area Control". Arbeidet bestod i å analysere nettstabilitet i tidsplanet for økt nøyaktighet. Det har vært et stort innslag av samarbeid mellom PhD-studentene og det har vært utveksling begger veier. Prosjektet etablerte også et laboratorium for relevern med heldigitale løsninger både for testing og simulering. De mange ulike komponentene ble satt sammen i prosjektets sluttfase. Det er implementert løsninger for å lese og skrive IEC61850 GOOSE/SV på prosessbuss samt implementering av algoritmer på mikroprosessorkort. Et nytt mastergradskurs ved NTNU TET4215 ble utviklet via prosjektet og kjørt for andre gang våren 2019.

Prosjektet har gitt et betydelig løft i kompetanse om relevern tilkoblet prosessbuss. Det er utviklet metoder for å studere og manipulere kommunikasjonen (IEC 61850 SV/GOOSE) på prosessbuss. Det er utviklere flere nye algoritmer og indikatorer som kan ha betydning for sikker drift av og feildeteksjon i kraftnett og dermed økt pålitelighet. Det er etablert et nytt laboratorium med sanntidssimulator, releer, reletester, mikroprosessorkort, merging unit, stasjonsklokke og analyseprogramvare tilkoblet prosessbuss. Dette vil ha nytteverdi utover prosjektet på sikt både i nye prosjekt og i utdanning og kunnskapsformidling. Det er utviklet et nytt fag ved NTNU som gir den nye generasjon studenter vesentlig bedre kunnskap om pålitelig drift av kraftnett. Det er utdannet 15 masterstudenter direkte tilknyttet prosjektet.

Protective relays are used to maintain a reliable operation of power systems. State of the art technology is numerical relays that sample data and perform calculations and logical operations. Protection is generally localized to a specific component (transmission line, cable, transformer, generator, compensator etc., and circuit breaker) and there is limited communication between relays. Settings are fixed and are done manually and typically based on steady-state analysis and hardware testing based on simulations. Fault location and isolation in distribution systems is highly manual with substantial technological room for automation. The newest generation of relays is able to communicate real time data and take advantage of information from other parts of the power system. As the power system becomes more complex the dynamic and transient behavior becomes of greater importance when setting and testing the protective relays. The project will explore protection strategies in an increasingly complex power system with dynamic, distributed energy resources. This is done by allowing communication of synchrophasor data from sources into a central combined with advanced analysis of the system. The project addresses both the distribution level and the transmission level where aggregation of a large number of sources requires better wide-area protection and control. The project will also recommend future practice for protection when integrating a large number of renewables. The project is organized at NTNU and aims to educated 4 PhD students within the field of power systems protection. This proposal addresses the Norwegian Research Council call on energy systems and principles, methods and tools for integrated control of smart grids. It supports the Energi21 strategy on flexible power system and automation and the SRA2035 document where communication technologies and protection systems are listed as prioritized.