Automatic transfer switch and load control for critical power systems

The technological development of Circuit Breakers (CBs) with electronic trip unit has opened doors to the implementation of a very large number of protections and the development of numerous power and energy management systems. In this work, a logic able to combine an embedded Automatic Transfer Switch (ATS) and a set of Load Control algorithms has been created. The main purpose of this control system is to guarantee the best possible continuity of service, which is crucial in critical power applications, such as healthcare facilities, where the lack of power on some loads could cost lives. The logic developed does not require the use of programmable logic controllers (PLC) or additional sensors, but only the electronic releases and sensors already mounted on the CBs. That ensures a less complex, bulky and expensive system. Furthermore, for safety reasons, a traditional embedded ATS system stops operating in case of any alarm or any trip in the circuit. So, for example, in case of an overload, the power system faces a blackout as the main breaker opens, even though this event is not as critical as a short-circuit and can be therefore treated differently. In order to fulfil such need, a specific load control, based on internal parameters such as current or frequency thresholds, was implemented to ensure power supply at least for the most critical loads. The logic was finally tested, exploiting the potential of the Hardware-In-the-Loop (HIL) test strategy, to verify its consistency. In the test setup, the development of a Matlab/Simulink model was first developed, to simulate the real plant behaviour in different scenarios. A LabVIEW Virtual Instrument (LabVIEW VI) has then been created to interact with the model in real-time.

Il notevole sviluppo tecnologico, che ha interessato negli ultimi anni gli interruttori automatici (CB) con sganciatore elettronico, ha aperto le porte all'implementazione di un numero elevato di protezioni e allo sviluppo di numerosi sistemi di gestione dei livelli di energia e potenza all’interno di un impianto. Sfruttando questo potenziale tecnico, in questo lavoro è stato creato un sistema embedded che combina un algoritmo di trasferimento automatico dei carichi (ATS) e un insieme di algoritmi di controllo dei carichi in grado di riconoscere cambiamenti topologici della microgrid in cui è installato e di agire di conseguenza. Lo scopo principale di questo sistema di controllo è garantire la massima continuità di servizio possibile, fondamentale in alcune applicazioni, come le strutture sanitarie, dove la mancanza di energia per alcuni carichi particolari potrebbe mettere in pericolo la vita dei pazienti. La logica sviluppata non richiede l’utilizzo di controllori logici programmabili (PLC) o di sensori aggiuntivi ma sfrutta la tecnologia dei soli sganciatori elettronici, garantendo un sistema meno complesso, ingombrante e costoso. Inoltre, un sistema ATS tradizionale smette di funzionare, per motivi di sicurezza, in caso di qualsiasi allarme o intervento nel circuito. Ad esempio, in caso di sovraccarico, il sistema va in blackout all'apertura dell’interruttore principale, anche se questo evento non è critico come un corto circuito e deve poter essere trattato diversamente. Per rispondere a tale esigenza, in questo lavoro è stato creato un controllo di carico, basato su parametri interni (come le soglie di corrente o di frequenza) e sul verificarsi di particolari eventi, per garantire continuità di servizio almeno per i carichi più critici. La logica sviluppata è stata infine testata, sfruttando il potenziale della strategia di test Hardware-In-the-Loop (HIL), per verificarne il corretto funzionamento in diversi scenari. Per creare il setup di test, è stato necessario sviluppare un modello Matlab / Simulink che simulasse il comportamento reale dell'impianto in diverse condizioni. È stata inoltre creata un’interfaccia virtuale in LabVIEW per interagire con il simulatore RT (Real-Time) su cui viene installato il modello Simulink.