IEC 61850-based logic selectivity with redundant optical fiber in critical power systems

The electrical distribution system considered in this work is that of a cruise ship, and it includes Medium Voltage and Low Voltage switchboards, supplied by Medium Voltage diesel generators in normal operating conditions. This thesis is focused on fault protection, and particularly on the design of a protection system that minimizes the impact of fault on electrical installation by ensuring selectivity between interrupting circuit breakers to guarantee the continuity of service in case of different fault conditions. The coordination between the circuit breakers has been done using IEC 61850 communication protocol: it was selected because it is a standard protocol, usually employed for massive networks, and it allows Medium Voltage and Low Voltage breakers to communicate with each other. IEC 61850 is based on Ethernet communication. Ethernet has the advantage of high speed, low latency and the possibility to use standard off the shelf components. However, Ethernet reliability often has to be improved by implementing specific redundancy protocols. In addition, long Ethernet cables in industrial and marine installations are prone to EMC interference. The above two issues have been addressed here by employing a redundant, optic fiber-based communication system. This represents a significant improvement for protection systems, and it is now tested in lab conditions, before releasing to actual installations. This work shows the results of the first tests in this application. The optic fiber network has a ring topology: this gives the possibility to build a redundant loop in the network to guarantee a backup data transmission path in case of unexpected disconnection of the cable. The system was simulated and tested using the hardware in the loop methodology in different fault conditions to check the correct functioning of logic interlocks and verifying in each case which circuit breakers trip. The simulations have been done for both kinds of connection to detect and compare the delay time of the logic signals between the circuit breakers during a fault.

Il Sistema elettrico considerato in questo lavoro è di una nave da crociera, ed include quadri di media e bassa tensione, alimentati da generatori a diesel in condizioni di normale funzionamento. Questa tesi è focalizzata nella protezione da guasti elettrici, particolarmente nella progettazione di un sistema di protezione che riduca l’impatto dei guasti nell’impianto assicurando la selettività logica tra i vari interruttori in modo da garantire la continuità di servizio. Il coordinamento tra i vari dispositive è stato implementato tramite il protocollo di comunicazione IEC 61850: è stato scelto perché è uno standard, solitamente impiegato per reti complesse, che permette ad interruttori di media e bassa tensione di comunicare tra di loro. La IEC 61850 si basa sulla comunicazione tramite cavo Ethernet. Il cavo Ethernet ha come vantaggio la velocità, bassa latenza e la possibilità di utilizzare gli standard presenti sulla piattaforma. Tuttavia, l’affidabilità dei cavi Ethernet solitamente necessità di miglioramenti sviluppando dei protocolli di ridondanza specifici. Inoltre, i cavi Ethernet di grande lunghezza per istallazioni industriali e marine sono sottoposti ad interferenze elettromagnetiche. Queste due affermazioni sono state prese in considerazione sviluppando un sistema di comunicazione ridondante basato su fibre ottiche. Questo rappresenta un grande miglioramento per i sistemi di protezione, ed è stato testato in laboratorio prima di essere rilasciato per istallazioni reali. Questo lavoro mostra i risultati dei primi test eseguiti in laboratorio per questo tipo di applicazione. La rete via fibra ottica possiede una topologia ad anello: ciò garantisce la possibilità di costruire un ciclo ridondante nella rete in modo da garantire un percorso di riserva per la trasmissione dei dati nel caso di un’inaspettata disconnessione del percorso principale. Il sistema è stato testato e simulato utilizzando il metodo hardware in the loop per diverse condizioni di guasto per osservare il corretto funzionamento dei messaggi di interblocco tra i vari dispositivi e per verificare che in ogni guasto, scattino gli interruttori previsti. Le simulazioni sono state eseguite per entrambe le topologie di connessione per individuare e comparare il tempo di ritardo dei segnali logici tra i dispositivi durante un guasto.