Power system protection and control in digital substations

Transformatorstasjoner eller koblingsstasjoner er kritiske knutepunkter i kraftsystemet og består av innkomne linjer/kabler, transformatorer, generatorer/omformere, kompenseringsutstyr, brytere og måletransformatorer. I en slik stasjon er det også utstyr for å verne (koble ut ved feil) og kontrollere kraftsystemet. Begrepet digital stasjon beskriver en teknologi der et mylder av kobberledninger mellom måletransformatorer, brytere, relevern og kontrollanlegg erstattes av en digital Ethernet-kabel (prosessbuss). Fordelene er betydelig mindre plassbehov, enklere utvidelser og dokumentasjon, raskere framtidig oppgradering, mulighet for inkludering av nye sensorer, innhenting og bruk av synkroniserte måleverdier fra et større område osv. Prosjektet har i de to første årene: * Utviklet modeller av omformerbasert kraftproduksjon (vindparker) for simulering av alle typer feil i tilknyttet nett. Analysert utfordringer knyttet til vern av overføringslinjer (distansevern) nær omformerbasert kraftproduksjon, for både å avdekke problemene og foreslå løsninger. * Analysert 5G løsninger for kommunikasjon mellom nettstasjoner. Utført simulering av nettverkstrafikk i NS-3 med tanke på pålitelighet. * Sett på utfordringer knyttet til å introdusere digitale stasjoner der både analoge og digitale signaler fra instrumenteringstransformatorer og samleenheter benyttes i differensialvern. Analysert teknologi og bruk av ikke-konvensjonelle målesensorer (Rogowski-spoler og optiske strømtransformatorer) med tanke på økt nøyaktighet. * Undersøkt utfordringer og metodikk relatert til isolerte og spolejorda systemer der feildeteksjon og lokalisering er vanskelig. Det er analysert transiente lokaliseringsmetoder og utviklet stasjonære deteksjonsmetoder for høyohmige jordfeil. Målsetningen er betydelig redusert feiltid, spesielt i regionalnett der det i dag er manuell feilhåndtering og feiltider opp mot to timer. * Startet på et arbeid med testing av digital stasjon for raskere og sikrere oppgradering. * Etablert heldigitalt relevernlaboratorium med utstyr fra flere leverandører og med fjernadgang. Utviklet verktøy for å benytte simuleringer i reletesting (comtrade) og undersøke datastrømmer på prosessbuss. Utviklet et digitalt etter- og videreutdanningskurs innen vern og overvåkning av distribusjonsnett.

Substations are critical nodes in the power system and consist of lines, transformers, generators, compensation equipment, switchgear, instrument transformers. In a substation, the power system is controlled and protected. The term digital substation describes a technology where classical copper wiring between instrument transformers, switchgear, protective relays and control equipment is replaced by a process bus Ethernet cable. The main advantages are smaller footprint (reduced wiring, and buildings), easier expansions (plug&play), simpler documentation and engineering, possible faster future upgrade among others. The challenges are related to the fact that this is new, unproven technology with new competence needs. Test pilots of digital substations are now being installed world-wide. Modern intelligent electrical devices (IED) like protective relays can now communicate on process and station buses in a digital substation environment. Information from all instrument transformers and protective relays is available to all connected devices. This opens up new possibilities in central settings and fault record utilization for optimal performance, selectivity, fault location and adaptations. However, it also poses a threat to security and reliability, with new devices exposed to substation stress. What is sure is that this digital shift will require new knowledge and competence in both communication and power system behavior. This application meets the ENERGIX program plan on integration of renewables, security of supply in light of digitalization, new knowledge and solution, and strengthening of national competence and R&D institutions. Furthermore the ENERGIX call on topic 2; integration of solar and wind as well as topic 3; energy systems and technologies. More specifically, it addresses the Energi21 2050 challenges on digitalization, smartgrid technologies, integration of (distributed) wind and solar, cyber security, automation, monitoring and control.