Industrial Ethernet based automated protection and supervision of multi-generator marine electrical distribution system

Energy 4.0 led to the development of standards which can be followed to implement the latest trends of innovation, connectivity and automation in the field of Power systems. industrial ethernet is the backbone of latest industrial evolution and integral part of Automation systems. Quest for better and faster communication protocol led to the formation of IEC 61850 standard and due to its wide features like interoperability, data object model and fast transfer rate it has become an important ethernet based communication protocol for sensitive substation automation systems. in this thesis we have developed HIL testbed for supervision and control of automated IEC 61850 based distribution system of Marine Applications. Electric systems in Naval vessels are very important as they are used to supply power for propulsion and all the services. Naval electric systems replicate the islanded microgrid working on the Marine Applications with all the main components of the ground microgrid except transmission distances are low and we are supplying our devices mainly on MV and LV. This thesis is focused on design and control of real time Hardware in loop testing setup for Marine Distribution system’s automated self-healing protection using ethernet and fiber optic technologies and monitoring using SCADA. We have described the complete design, simulation and Hardware in loop testing of the Directional selective protection system for distribution system of the Marine Applications incorporating MV and LV intelligent electronic devices with National instruments embedded FPGA & Real time module (Compact-RIO) driven by LabVIEW. Trip units we are using have an ability to communicate horizontally and send GOOSE messages to communicate locking signals for selective protection and vertically to send MMS messages to communicate system status and data for remote supervision and control to the SCADA system based on Zenon using IEC 61850 data model. Our network was divided into three scenarios i.e. primary supply, secondary supply and emergency based on prioritization of the loads. We have also studied the behavior of system in case of disconnection and designed a Turbo Ring topology using MOXA switches to improve down time and redundancy of the system in case of disconnection. we carried out 500 tests on all the possible fault locations and proved the delay timing in case of all the three types of system i.e. only ethernet, fiber-optic based turbo ring and turbo ring disconnected system stays within the defined time limitations of IEC 61850 and including the MMS messages for SCADA on the same ethernet cable doesn’t affect the performance of the overall system.

L’Industria 4.0 ha permesso lo sviluppo di nuovi standard in accordo con le ultime tendenze di sviluppo, di automazione e di connettività nei sistemi di distribuzione elettrica. La connessione vie Ethernet è stata la spina dorsale dell’ultima rivoluzione industriale e parte integrante nei sistemi di automazione. La continua ricerca di un protocollo di comunicazione ha portato alla creazione dello standard IEC61850, che grazie alle sue vaste caratteristiche come l’interoperabilità, il modello del pacchetto dati e la velocità nel trasferimento dati, è diventato un protocollo di comunicazione Ethernet importante per i sistemi di automazione delle sottostazioni. In questa tesi abbiamo sviluppato un sistema Hardware In the Loop (HIL) per la supervisione e il controllo del sistema di distribuzione automatizzato basato su IEC 61850 per un sistema elettrico navale. I sistemi elettrici nelle navi sono molto importanti in quanto sono utilizzati per fornire energia per la propulsione e per tutti i servizi. Questo tipo di sistema replica una microgrid funzionate come isola in cui sono presenti gli stessi principali componenti a parte per il fatto che le distanze di trasmissione sono inferiori e che i dispositivi a bordo sono alimentati in media tensione e bassa tensione. Questa tesi è incentrata sulla progettazione e il controllo in tempo reale dell'hardware in the loop di un sistema di protezione automatizzato del sistema navale che utilizza tecnologie Ethernet e in fibra ottica e monitoraggio tramite SCADA. Abbiamo descritto la progettazione, la simulazione e l’HIL del sistema di protezione tramite selettività logica direzionale per il nostro impianto elettrico navale che incorpora dispositivi elettronici intelligenti funzionanti in MV e LV con moduli integrati FPGA e real time (Compact RIO) controllati tramite il software LabVIEW della National Instruments. Le trip unit utilizzate hanno la capacità di comunicare orizzontalmente ed inviare messaggi di tipo GOOSE per comunicare segnali di blocco per la selettività logica e verticalmente per inviare messaggi di tipo MMS per comunicare lo stato del sistema e diversi dati per una supervisione da remoto e per il controllo da un sistema SCADA basato su Zenon tramite lo standard IEC 61850. La rete è stata divisa in tre differenti scenari: alimentazione primaria, alimentazione secondaria ed emergenza basata sulle priorità dei carichi. Abbiamo anche studiato il comportamento del sistema in caso di disconnessione e progettato una topologia Turbo Ring utilizzando gli switch MOXA per migliorare i tempi di risposta e la ridondanza del sistema in caso di disconnessione. Abbiamo eseguito 500 test su tutte le possibili condizioni di guasto e dimostrato che il ritardo nel caso di tutti e tre i tipi di sistema, ovvero solo Ethernet, Turbo Ring basato su fibra ottica e Turbo Ring disconnessa rientra nei limiti di tempo definiti dalla IEC 61850 e i messaggi MMS per SCADA inclusi sullo stesso cavo Ethernet non influiscono sulle prestazioni dell'intero sistema.