Adaptive protection algorithms for smart distribution systems tested in a hardware-in-the-loop setup

This thesis is based on the research work carried out from the 1st June 2016 to the 30th November 2016, in the Power System team of the Automation department at ABB Switzerland Ltd Corporate Research Center, Baden-Dattwil and in the laboratories at ABB SACE Division in Bergamo. The goal of the project was to develop and test new protection methods and algorithms for the distribution grids in presence of distributed generation units. The first part of the internship was dedicated to the study of recent publications, research articles and papers on the subject, in order to understand the main problems related to protection devices in the new smart grid environment. The second part, was spent at ABB SACE Division in Bergamo. In this company, information on how to use and set up the protection relays EMAX 2 and on how to develop programs with LabVIEW was provided, in order to develop a simulation environment and to interface it with the protection devices. In the third part, again in Switzerland, using two EMAX 2 relays, the distribution system real-time simulation with loads and distributed generation has been developed. When this simulation was achieved, the previously conceived protection algorithms were implemented in LabVIEW, interfacing the software with two protection devices and creating in this way a “hardware-in-the-loop” setup. The thesis consists of seven chapters: the first and the second ones introduce the distribution system’s evolution from a totally passive electrical system component to an active smart grid and the issues related to the protection system (protection blinding, sympathetic tripping, etc.,); in chapters three and four some of the main protection methods described in the literature and, more specifically, those that have been developed and simulated during this project are described; in the fifth chapter the “hardware-in-the-loop” setup is described in detail and in the last two chapters the simulation results along with some suggestion about future works and applications are presented.

Questo lavoro di tesi si basa sull’esperienza di ricerca maturata dal 1 giugno 2016 al 30 novembre 2016, all’interno del team Power System del dipartimento di Automation, presso il centro ricerca ABB di Baden-Dattwil, Svizzera e presso i laboratori di ABB SACE Division a Bergamo. L’obiettivo del progetto è stato quello di sviluppare e testare nuovi metodi e algoritmi di protezione per le reti di distribuzione elettrica in presenza di unità di generazione distribuita. La prima parte dell’internship è stata dedicata allo studio dell’argomento mediante l’analisi di recenti pubblicazioni, al fine di comprendere le principali criticità relative ai dispositivi di protezione nel nuovo contesto della smart grid. La seconda parte, che ha previsto due settimane di collaborazione presso ABB SACE Division (Bergamo), è stata dedicata all’apprendimento del funzionamento dei relè EMAX 2 e della programmazione con il sistema LabVIEW, al fine di sviluppare un ambiente di simulazione e di interfacciarlo con i dispositivi di protezione. Nuovamente in Svizzera, adoperando i dispositivi EMAX 2 precedentemente analizzati, è stata programmata una simulazione real-time di un sistema di distribuzione, con carichi e unita di generazione distribuita. Terminato lo sviluppo di questa simulazione, gli algoritmi di protezione precedentemente ideati sono stati implementati in LabVIEW, interfacciando il software con i due relè e creando in questo modo un setup “hardware-in-the-loop”. La tesi è strutturata in sette parti: la prima e la seconda introducono l’evoluzione del sistema di distribuzione elettrica e le problematiche relative al sistema di protezione in questo scenario innovativo; nel terzo e nel quarto capitolo sono descritti alcuni metodi di protezione presenti nelle pubblicazioni e negli articoli scientifici e i metodi che sono stati ideati e sviluppati durante l’internship; nella quinta parte è fornita una descrizione dettagliata del setup e nella sezione finale sono presentati i risultati delle simulazioni degli algoritmi implementati e alcune riflessioni riguardo lo sviluppo di futuri progetti applicabili al setup e a casistiche reali.