Ett steg nærmere et strømnett som kan fikse seg selv

Det elektriske distribusjonsnettet gjennomgår nå en massiv oppgradering, blant annet som følge av stadig økende distribuert produksjon (DG), ny og hurtig varierende last og resulterende usikkerheter. I tillegg til utbygging, handler forbedringene om å ta i bruk nye avanserte kontrollenheter, metoder og automatisering av viktige driftsfunksjoner.

CINELDI (Centre for Intelligent Electricity Distribution) jobber med å undersøke og adressere hvilke utfordringer endringene i distribusjonsnettet gir. Forskningssenteret har som mål å bidra til digitalisering og modernisering av strømnettet på en kostnadseffektiv, fleksibel og robust måte.

Som en del av CINELDI har vi jobbet med å utvikle nye metoder for å automatisere prosessen med å håndtere feil i distribusjonsnettet, og vi har fokusert hovedsakelig på muligheten til å nøyaktig kunne lokalisere feil i distribusjonsnettet slik at vedlikehold og retting av feil kan gjøres så raskt som mulig.

Selv-helende nett

Feil i det elektriske nettet er uunngåelig. Distribusjonsnettet vil alltid være utsatt for strømbrudd forårsaket av været, dyreliv, trær som faller over linja, menneskelige feil, ondsinnede angrep eller lignende. Derfor bør nettet designes og driftes slik at det er motstandsdyktig mot slike uunngåelige feil. Evnen til automatisk å oppdage, lokalisere og isolere feil, samt gjenopprette forsyning innen kort tid – fra millisekunder til sekunder – er en nøkkelfunksjon i smarte nett (også kalt FLISR – Fault Localization, Isolation and Service Restoration). Til sammenligning må man i dagens distribusjonsnett manuelt finne feilen og manuelt gjøre de nødvendige koblinger i nettet for å gjenopprette forsyning til flest mulig nettkunder. I tillegg må feilen lokaliseres for å kunne utføre nødvendige reparasjoner. Med dagens metode kan arbeidet ta timer og påvirke et stort antall kunder.

Nettets evne til å automatisk gjenopprette forsyningen er mulig å realisere ved å plassere ut sensorer som overvåker nettet i sanntid, samt å benytte intelligente enheter som automatisk og kontinuerlig kontrollerer og evaluerer tilstanden til nettverket for å identifisere og isolere feil. Automatisert rekonfigurering av nettverket er også en del av det som trengs for å få til et selv-helende nett. Dette er med på å maksimere forsyningssikkerheten samt å øke både påliteligheten og effektiviteten til nettet.

Utfordringen med å lokalisere (jord)feil

Å oppdage feil og hvor den er, er en nøkkelfunksjonalitet i feilhåndteringen, og det er det første steget til automasjon av feilhåndteringsprosessen. Det finnes mange veletablerte metoder for å lokalisere de fleste kortslutningene (symmetriske og usymmetriske) i distribusjonsnettet. Blant disse feiltypene har det imidlertid ikke vært en allment akseptert, pålitelig og effektiv metode for lokalisering av enfase-feil til jord i ujordede eller spole-jordede nettverk. Det er viktig å merke seg at distribusjonsnettet i Norge for det meste er enten ujordet eller spole-jordet, og at jordfeil er den vanligste typen feil i distribusjonsnettet; disse feilene representerer mellom 50–90 % av feilene i nordiske land [2]. Derfor er en nøyaktig lokalisering av jordfeil i ujordede systemer svært avgjørende for å forbedre påliteligheten og effektiviteten til nettet.

En av hovedutfordringene med jordfeil i ujordede systemer er at feilstrømmen er for liten til å bruke den til nøyaktig deteksjon av feilen eller til å beregne avstanden til feilpunktet. De fleste av metodene som er utviklet så langt har ofte begrensninger, enten på metodenes anvendelighet for forskjellige forhold (som impedansbaserte metoder) eller på implementeringskostnadene som krever avansert utstyr og kommunikasjonsinfrastruktur

Endringer i driften av nettet kan gi nye muligheter

Det elektriske distribusjonsnettet driftes i dag radielt. På grunn av stor utbygging av distribuert produksjon og større etterspørsel etter pålitelig kraft, kan det være gode grunner til å vurdere nye måter å drifte nettet på, som ring eller en svakt masket drift, på spenningsnivåene 6-33 kV.
I CINELDI jobber vi mye med å utvikle nye metoder og verktøy som utnytter trendene og mulighetene som oppstår fra endringer i distribusjonsnettet.

I vår nylig publiserte forskningsartikkel (Two novel current-based methods for locating earth faults in unearthed ring operating MV networks) har vi utviklet to nye metoder som kan brukes til å nøyaktig lokalisere jordfeil i ujordede systemer ved å utnytte mulighetene som oppstår fra en ring-type-drift av mellomspenningsnettet. De to nye metodene er også generiske på en slik måte at de kan brukes til å lokalisere andre typer kortslutningsfeil.

Nye metoder for å lokalisere (jord)feil

De to nye metodene for å lokalisere feil er basert på teori om symmetriske komponenter, og benytter kun målinger av strøm og nøytralpunktsspenning ved en transformatorstasjon. Den første metoden baserer seg på å utnytte endringen i negative sekvensstrøm, mens den andre metoden bruker endringen i nullsekvensstrøm og nøytralpunktsspenning. Begge metodene er enkle å bruke og implementere, siden de er basert på en enkel logikk og i hovedsak eksisterende instrumentasjon.

Begge metodene er testet ved å simulere dem i et nettverk basert på data levert av nettselskapet Elvia. Resultatene fra simuleringen viste at metodene gir god nøyaktighet når det kommer til å lokalisere jordfeil, med feilmargin innenfor noen få hundre meter. Nøyaktigheten og robustheten til begge metodene ble undersøkt med tanke på ulike scenarier der feilmotstand, last-asymmetri og målefeil ble variert. Begge metodene viste god nøyaktighet i alle scenariene.

Som vist i figuren nedenfor, er feilmarginen i metoden som benytter negativ sekvensstrøm ± 250 meter, mens feilmarginen for metoden som bruker nullsekvensstrøm er ±100-150 meter.
Metodene ble i tillegg testet for spesifikke tilfeller der vi vurderte ulik konfigurasjon av bakgrunnsnettverket, et resonansjordet system og tilfeller der det distribuert produksjon i nettet. Begge metodene ga lovende resultater i alle disse tre tilfellene.

Oppsummert viste simuleringsstudien at de to metodene ga god nøyaktighet i feillokalisering i nesten alle scenariene som ble undersøkt. Metoden som benyttet negativ sekvens-komponent ga en større feilmargin på estimeringen av avstand, men den virker robust mot de fleste feilkilder. Utfordringen med denne metoden er at målingen av negative seksvensstrømmer ikke er så lett tilgjengelig i de fleste distribusjonsnett. Nullsekvensmetoden er trolig enklere å implementere fordi målinger er mer tilgjengelig. Samtidig viser denne metoden seg å være mindre robust fordi den er avhengig av noen usikre parametere, som linje-jord-kapasitansen til de ringkoblede avgangene og delingen av null-sekvens-strømmen blant dem (selv om metoden vår ga ligninger for å estimere disse parameterne).

Videre validering og implementering av metodene

Resultatene fra simuleringstestene var lovende, og de styrker utsiktene både til ytterligere testing av metodene i virkelige nettverk og deretter å få implementert metodene i vanlig drift. Vi holder nå på med å teste metodene i et laboratorieoppsett, og ønsker etter hvert å gjøre en pilottest på et reelt strømnett i samarbeid med Elvia.

Referanser

1. Zerihun, T. et al. (2022) Two novel current-based methods for locating earth faults in unearthed ring operating MV networks, Electric Power Systems Research, volume (213)
2. Hänninen S., et al. Single Phase Earth Faults in High Impedance Grounded Networks: Characteristics, Indication and Location, VTT Technical Research Centre of Finland (2001)