Hardware in-the-loop simulator for testing of automatic transfer switch systems

Service continuity in low voltage electrical installations is a fundamental characteristic to achieve economically and functionally efficient systems. The ability to automatically switch supply from the electrical grid to another power source minimizes problems caused by faulty conditions in the public network. “Automatic transfer switching” includes all sequences of automatic operations which control the installation components without intervention by the operator. To ensure power supply to loads, a basic requirement is N+1 redundancy in supply sources; this is usually implemented by a transformer plus an emergency generator (or, in alternative, a second transformer). This thesis describes the work done during my internship at ABB SpA (SACE Division, located in Bergamo). It is about an Automatic Transfer Switch (ATS) application for a Low Voltage petrochemical plant. Based on the technical specifications received by the customer, it was decided to implement an innovative solution based on a new series of low voltage air circuit breakers, provided with signalling system and programmable logic execution. The most innovative aspect of the solution described here is its totally distributed implementation. The internal logic engine of each relay is employed, without the need of a programmable logic controller or any other centralized control system. The project also involves an innovative application of the zone directional selectivity with signal exchange between the low voltage circuit breakers. This technology can be made more reliable through the redundancy of the signals, in order to keep the correct coordination of the protection even if there is a malfunction in one of the logic connections. Since the realization is very different from the solutions based on centralized automation utilized so far, an innovative solution was also required for testing, in order to validate and demonstrate the correct functioning. Therefore, a portable switchgear setup has been designed, through which the electrical quantities of the system are simulated and the application is tested and validated, with a Hardware-In-the-Loop methodology. In this way, it is possible to implement the solution replicating the complete system, using all the equipment that will actually be employed on field, and demonstrate the correct functioning with a real time simulation. In the test system, currents and voltages read by the relays are simulated via software and then converted to analogic signals by digital to analog converters. This allows to simulate all the working conditions of the system, both in normal operating state and in the presence of a fault, thus carrying out a complete test. The tests performed have actually proved that the automatic logic has all the characteristics required for the petrochemical system under consideration. The technology employed is flexible enough that it can be easily used, with few variations, in many other systems in which redundancy of power supply is needed.

La continuità di servizio negli impianti elettrici di bassa tensione rappresenta una caratteristica fondamentale per realizzare un impianto efficiente dal punto di vista economico e funzionale. Un sistema in grado di effettuare il passaggio dalla rete ad un’altra fonte di alimentazione riduce al minimo i problemi indotti da condizioni di anomalia della rete pubblica. L’insieme di operazioni comunemente chiamato “commutazione automatica” comprende tutte le sequenze di manovra che vanno a comandare i vari apparecchi dell’impianto in modo automatico senza l’intervento dell’operatore. Requisito fondamentale dell’impianto, per garantire una fonte di energia ai carichi, è avere una ridondanza nelle sorgenti di alimentazione di tipo N+1, generalmente realizzata per mezzo di un trasformatore e un generatore di emergenza (o, in alternativa a quest’ultimo, un secondo trasformatore). Questo elaborato tratta il lavoro svolto durante il mio stage presso ABB (SACE Division, Bergamo). Riguarda un sistema di trasferimento automatico (ATS) per un impianto petrolchimico in bassa tensione. Sulla base dei requisiti tecnici ricevuti da un cliente, si è deciso di ideare una soluzione innovativa basata sulla nuova serie di interruttori aperti di bassa tensione dotati di segnalazione e attuazione programmabile. L'aspetto più innovativo della soluzione qui descritta è di essere realizzata in modo totalmente distribuito, cioè utilizzando la logica interna di ciascuno dei relè, senza il bisogno di un controllore logico programmabile o altro dispositivo centrale di controllo. Il progetto comprende inoltre una innovativa applicazione della selettività di zona direzionale con scambio di segnalazioni tra gli interruttori di bassa tensione. Tale tecnologia può essere resa più affidabile mediante la ridondanza delle segnalazioni, in modo da mantenere il corretto coordinamento delle protezioni anche in presenza di un malfunzionamento di uno dei collegamenti logici. Poiché la realizzazione è molto diversa rispetto alle soluzioni di automazione centralizzate finora utilizzate, anche per il test, la validazione e la dimostrazione del funzionamento è stato necessario utilizzare soluzioni innovative: è stato quindi progettato un quadro portatile in cui si simulano le grandezze elettriche dell'impianto, e l'applicazione viene sottoposta a test e validazione, con metodologia Hardware-In-The-Loop. In questo modo si può implementare la soluzione riproducendo l'impianto completo e utilizzando tutte le apparecchiature che verranno effettivamente impiegate, e dimostrarne il corretto funzionamento con una simulazione in tempo reale. Nel sistema di test, correnti e tensioni lette dai relè sono simulate via software e poi convertite in segnali analogici tramite convertitori digitale-analogico. Ciò permette di simulare tutte le condizioni di funzionamento dell'impianto, sia normali che in presenza di guasto, effettuando un test completo su tutte le condizioni possibili. I test eseguiti hanno effettivamente mostrato che la logica di automazione ha tutte le caratteristiche richieste per l'applicazione nell'impianto petrolchimico considerato. La tecnologia utilizzata è sufficientemente flessibile da poter essere utilizzata facilmente con poche variazioni anche in molti altri impianti in cui sia necessaria la ridondanza dell'alimentazione.