Development of impedance differential method for fault detection and location in hybrid transmission lines

Abstract

Son zamanlarda, iletim sistemlerinde havai hatlar ile birlikte yüksek gerilim yeraltı kablolarının kullanılması da geliştirilmektedir.Bu gelişmenin temel nedenleri, güç sistemi güvenilirliğini arttırmak, yenilenebilir enerji kaynaklarını özellikle kıyıdan uzak rüzgar çiftliklerini şebekeye bağlamak, güç sisteminin genişlemesi, enerji iletim sistemlerinin yoğun kentsel alanlar arasından geçmesi, turistik cazibe sorunları ve çevresel kaygılar olarak belirtilebilir.Çok açıktır ki havai hatların elektriksel parametreleri (direnç, endüktans, kapasıtans, vb.) yer altı kablolarından tamamen farklı. Ek olarak, koruyucu rölelerin ve algoritmaların çoğu hat parametrelerine hassastır.Bu nedenle, bu tür bir iletim sisteminin güvenilir, güvenli ve itimat edilir bir şekilde korunması için, her bölümü uygun ayarlarla ayrı bir koruma sistemine sahip olmalıdır.Bununla birlikte, ekonomik kaygılar, güç sistemi mühendislerinin havai hat ve yeraltı kablosunun birleşme noktasında yüksek gerilim trafo merkezi ve yüksek maliyetli ölçüm ve koruma sistemleri kurmalarına engel teşkil etmektedir. Bu sebeple, hibrit iletim hatları oluşturuldu.Bu şartlarda, hibrit güç iletim hatlarının koruma ve arıza yeri tesbiti, geleneksel koruma sistemleri için zorlayıcı ve karışık problemler haline geldi.Havai hat ve yeraltı kablosunun özellikleri arasındaki büyük farklar olması nedeniyle, yüksek gerilim iletim hatları için iyi bilinen ve çok kullanılan mesafe koruma rölesi, arıza ve arıza yerini doğru tesbit edememektedir.Ek olarak, kablo bölümü, yüksek bir şarj akımına sahiptir ve bu konu mesafe koruma rölesi tarafından dikkate alınmamakatdadır ve röleyi arıza koşullarında zayıflatmaktadır.Dolayısıyla, tez konusu koruma mühendisliğinin önemli ve sıcak konularından biridir.Belirtilen sorunla başa çıkmak için, bu tezde, empedans diferansiyel metodu iletim hatlarının birim koruması için önerilmiş ve arıza ve arıza yeri tesbit algorıtması olarak açıklanıp ve kullanılmıştır.Bu teknik, arıza empedansını hesaplamak ve arızanın hat üzerindeki hata yerini belirlemek için hattın her iki üç terminalindeki gerilim ve akım fazlarını kullanır.Bununla birlikte, empedans diferansiyel algorıtması homojen iletim hatları için tasarlanmıştır ve hibrit hatlar için uygulanabilir değildir.Bu nedenle, hibrit iletim hatları durumunda empedans diferansiyel algorıtması problemini çözmek için transfer matris bazlı bir yöntem geliştirilip ve tanıtılmıştır.Bu, önerilen yeni algoritmanın hibrid hattın bölümlerini ayırdığı ve birleşme noktasının elektriksel parametrelerini hesaplayarak bunları bağımsız homojen hatlar olarak kabul ettiği anlamına gelir.Böylece, empedans diferansiyel metodu hibrit iletim hatlarının korunması ve arıza yeri tesbiti için uygulanabilir.Bu bağlamda, algorıtma, transfer matrisi denklemlerini kullanarak, havai hat ve yeraltı kablosunun her iki ucundaki birleşme noktasının gerilim ve akım fazor değerlerini hesaplar.Normal ve harici arıza koşullarında, her iki uçta hesaplanan gerilim ve akım fazerleri aynıdır. Bununla birlikte, transfer matris denklemlerinin doğası gereği, arızaya bitişik olan uçtan yapılan hesaplamalar, iç arıza koşullarında tamamen yanlıştır.Bu nedenle, önerilen yöntem, bitişik noktada olan referans baraların gelirim acılarının değişikliğini bir ölçüt olarak kullanarak doğru hesaplamalar yapan ucu belirlemelidir.Gerilim açısının iletim sistemi üzerinde ciddi bir şekilde değişmediği açıktır. Bununla birlikte, arıza olan bölgeye bitişik olan baranın bağlantı noktasında gerilim açısının yanlış hesaplanması baradan olan gerilim açısı ile bağlantı noktasında hesaplanan gerilim açısı arasında büyük bir fark yaratır.Aslında, birleşme noktasının elektriksel parametreleri için doğru hesaplama, ölçülen gerilim açısının ve birleşme noktası için hesaplanan gerilim açısının farklı olduğu baralarda daha düşük.Bu nedenle, algoritma, birleşme noktasının gerilim ve akım fazör değerlerini iç arıza koşullarında bile hesaplayabilmektedir.Aslında, önerilen yöntem homojen olmayan bir hibrit hattı homojen hat bölümlerine bölme yeteneğine sahiptir. Dolayısıyla, empedans diferansiyel yöntemi, transfer matrisi algorıtması ile hibrit iletim hatlarına uygulanmak için geliştirilmiştir.Sonuç olarak, empedans diferansiyel metodu ve transfer matrisi bazlı algoritmanın bir kombinasyonu olan önerilen yeni yaklaşım, hibrit iletim hatlarındaki arıza ve arıza yeri tespiti için bir birim koruma yöntemi olarak önerilmiştir.Algoritmanın tatmin edici performansını göstermek için, bir test güç sistemine farklı arıza tipleri, arıza yerleri, arıza başlangıç acıları ve arıza empedansları uygulanır. Sonuç olarak, önerilen yöntemin güçlü performansı bir sürü bilgisayar tabanlı simülasyon çalışmasıyla doğrulanmaktadır. Algorıtma, hibrit hatları çeşitli hata özellikleriyle koruma kabiliyetine şahptır.Tezin bölümleri şu şekilde düzenlenmiştir:1. Bölüm, tezin amacı, literatur taramasını ve hipotezi içeren giriş dersine ayrılmıştır.Bölüm 2, iletim hattı koruma incelemesi ile ilgilidir. Bu bölüm, güç iletim sistemleri için geleneksel koruma yöntemlerini incelemektedir.3. Bölüm, hibrid iletim hatlarındaki yeni arıza tespit ve konumlandırma yöntemine atanmıştır.4. Bölüm, bilgisayar tabanlı simülasyon çalışmalarını kullanarak önerilen yöntemin performans analizi ile ilgilidir.Sonuncu ama en önemli bölüm, sonuca ve tavsiyelere adanmıştır.

Recently, utilizing high voltage underground cables (UGC) along with overhead lines (OHL) in transmission systems has been being developed. The main reasons of this development can be mentioned as enhancing power system reliability, connecting renewable energy resources specially off-shore wind farms to the grid, power system expansion, passing power transmission systems among dense urban areas, tourist attraction issues, and environmental concerns.It is clear that electrical parameters (resistance, inductance, capacitance, etc.) of overhead lines are completely different from underground cables. Additionally, most of the protective relays and algorithms are sensitive to the line parameters. Hence, for reliable, secure and dependable protection of such a transmission system, its sections should have separate protective system with appropriate settings.However, financial concerns prohibit power system engineers to establish a high voltage substation and employ high cost measurement and protection systems at the junction point of overhead line and underground cable. Therefore, hybrid transmission lines (HTL) are created.In this situation, protection and fault location of hybrid power transmission lines become challenging problems for traditional protection systems. Distance relay, which is a well-known and highly employed relay for high voltage transmission lines, is incapable to detect and locate the fault, accurately, due to large differences between the characteristics of overhead line and underground cable.In addition, the cable section has a high charging current, which is not considered by distance relay and makes the relay castrated in fault conditions. Thus, the topic of the thesis is one of the important and hot subjects of protection engineering.To cope with the cited problem, in this thesis, impedance differential method, which has been proposed for unit protection of transmission lines, is explained and employed as fault detection and location algorithm. This technique utilizes voltage and current phasors at both end terminals of the line to calculate the fault impedance and, accordingly, determine the fault location on the line.Nonetheless, impedance differential algorithm has been designed for homogeneous transmission lines and is not applicable to hybrid lines. Therefore, a transfer matrix-based method is developed and introduced to solve the problem of impedance differential algorithm in the case of hybrid transmission lines.It means that, the proposed novel algorithm separates the sections of hybrid line and considers them as independent homogeneous lines by calculating the electrical parameters of the junction point. Hereby, impedance differential method can be applied for protection and fault location of hybrid transmission lines.In this regard, the algorithm computes the voltage and current phasor values of junction point of overhead line and underground cable from both ends using transfer matrix equations.In no-fault and external faults conditions, the calculated voltage and current phasors are the same from both ends. However, owing to the nature of transfer matrix equations, calculations from the end that adjacent to the faulted section (OHL or UGC) are completely wrong, in internal fault conditions.Thus, the proposed method should determine the end that performs correct calculations, using difference of the voltage angles of the reference buses with the junction point, as a criterion.It is clear that voltage angle is not severely changed over the transmission system. However, incorrect calculation of the junction point voltage angle from the bus that is adjacent to the faulted section causes a large difference between the voltage angle of the bus and calculated voltage angle for the junction point from the same bus.Indeed, correct calculation for the electrical parameters of the junction point is from the bus that difference of the measured voltage angle and calculated voltage angle for the junction point is lower. Therefore, the algorithm is capable to compute the voltage and current phasor values of the junction point, even in the internal fault conditions.In fact, the proposed method is capable to divide an inhomogeneous hybrid line to the homogeneous line sections. Hence, impedance differential method is improved by transfer matrix algorithm to be applicable for hybrid transmission lines.As a result, the novel proposed approach, which is a combination of impedance differential method and transfer matrix-based algorithm, is proposed as a unit protection method for fault detection and location in hybrid transmission lines.To demonstrate satisfactory performance of the algorithm, different fault types (FT), fault locations (FL), fault inception angles (FIA), and fault impedances (FI) are applied to a test power system.Consequently, robust performance of the proposed method is confirmed by numerous computer-based simulation studies. The algorithm is capable to protect the hybrid lines with various fault characteristics. Chapters of the thesis are organized as follows:Chapter 1 is allocated to introduction, which contains purpose of the thesis, literature review, and hypothesis.Chapter 2 is related to transmission line protection survey. This chapter investigates conventional protection methods for power transmission systems.Chapter 3 is assigned to the new method of fault detection and location in hybrid transmission lines.Chapter 4 is about performance analysis of the proposed method using computer-based simulation studies.The last but not the least chapter is dedicated to conclusion and recommendations.