PRODICON – Power system protection in presence of high shares of distributed converter-interfaced resources

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/502101

Short description (German)

Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer qualitativen und quantitativen Methodik zur Abschätzung der Auswirkungen von umrichtergebundenen variablen erneuerbaren Energieressourcen in Verteilnetzen, insbesondere zu Zeiten hoher Durchdringung der verteilten Erzeugung und der resultierenden Abschaltung der konventionellen Produktion auf Übertragungsnetzebene. Konkret zielt das Projekt darauf ab, (i) die erforderlichen Modelle (RMS-, EMT- oder Nachfehler-Gleichgewichts-Analyse) zur hinreichend genauen Abbildung umrichtergesteuerter Quellen und neuer elektrischer Lasten für Schutzuntersuchungen in MS/NS-Netzen zu identifizieren, (ii) die Fehlerniveaus (d.h. Kurzschlussstromwerte) in einem gegebenen MS-/NS-Netz für ausgewählte Szenarien der Durchdringung von variablen erneuerbaren Energiequellen bei Netzfehlern zu bewerten, (iii) die Auswirkungen verschiedener Fehlerniveaus für ausgewählte Szenarien zu quantifizieren und (iv) potenzielle Gegenmassnahmen in enger Zusammenarbeit mit Schutzexperten von EKZ auszuarbeiten. Teile des Netzes von EKZ werden für die Erprobung und Bewertung der Methodik verwendet.

Short description (English)

The objective of the project is to devise a qualitative and quantitative framework to measure the impacts of converter-interfaced variable renewable energy resources in distribution grids, especially when the large-scale conventional generation connected at the transmission level is de-activated during times of high penetration of distributed generation. Specifically, the project aims to (i) identify the required modelling (RMS, EMT or post-fault steady-state analysis) for sufficiently accurate representation of converter-interfaced sources and new electrified demand for protection studies in MV/LV grids, (ii) assess the fault levels (i.e. short-circuit current levels) in a given MV/LV grid for selected given scenarios of penetration of VRE (variable renewable energy) sources during grid faults, (iii) quantify the impacts of different fault levels for selected scenarios, and (iv) elaborate on potential mitigation measures with close collaboration with protection experts at EKZ. Parts of the EKZ grid will be used for testing and evaluating the framework.

Final report (German)

Die Ziele dieses Projekts sind (i) die Analyse der Auswirkungen von umrichtergekoppelten Ressourcen auf die Schutzkonzepte von Mittel- und Niederspannungsnetzen (MS und NS) und (ii) die Bewertung der Wirksamkeit der derzeitigen Methoden für den Entwurf und die Bewertung von Schutzkonzepten in Verteilungsnetzen unter Verwendung eines quantitativen Rahmens: Bei (i) liegt der Schwerpunkt auf den zukünftigen Erzeugungsauslegungen, wenn die Anzahl der konventionellen Erzeuger in Hoch- und Höchstspannungsnetzen täglich (z. B. im Sommer tagsüber) und saisonal (z. B. im Sommer und im Winter) stark schwankt. So wird beispielsweise erwartet, dass die dezentrale Erzeugung in den Mittel- und Niederspannungsnetzen, z. B. durch Photovoltaikanlagen, den größten Teil der Nachfrage an Sommertagen deckt. Da die Anzahl der online geschalteten rotierenden Maschinen in Hoch- und Höchstspannungsnetzen reduziert ist, wird erwartet, dass die maximalen Kurzschlussströme (I_k”), die von den Hoch- und Höchstspannungsnetzen zu den Fehlern in den Mittel- und Niederspannungsnetzen geliefert werden, deutlich sinken, was dazu führt, dass die Schutzeinrichtungen nicht oder erst später aktiviert werden. Dieses Phänomen wird als "Schutzunterdeckung" bezeichnet und ist von den Netzbetreibern nicht erwünscht. Darüber hinaus ist aufgrund des Kurzschlussstrombeitrags der dezentralen Erzeugung in den Mittel- und Niederspannungsnetzen mit einer unnötigen Auslösung von Schutzeinrichtungen in den nachgeschalteten Abgängen der Umspannwerke ohne Fehler zu rechnen, insbesondere wenn die Schutzeinrichtungen nicht richtungsabhängig sind. Dieses Phänomen ist als ”störende & sympathetische Auslösung” bekannt und von den Betreibern auch nicht erwünscht. Für (ii) wird die Industrienorm IEC60909-2016, die in der Industrie bei der Auslegung und Bewertung von Schutzsystemen für Verteilungsnetze weit verbreitet ist, anhand der Ergebnisse der RMS-Simulationen für ausgewählte Erzeugungslayouts in (i) bewertet.

In diesem Bericht wird zunächst der Nutzen von RMS-Simulationen (im Vergleich zu den Ergebnissen der Norm IEC60909-2016) für Schutzstudien aufgezeigt, insbesondere wenn die Netzspannungen erheblich von der Nennspannung abweichen. Als Nächstes werden die Fehlerniveaus (d. h. Kurzschlussstromniveaus, I_k”) in einem gegebenen Mittelspannungsnetz für ausgewählte Netzbetriebszustände mit hohen und niedrigen erneuerbaren Energieressourcen wie PV bewertet. Anschließend werden die Auswirkungen verschiedener Fehlerpegel in ausgewählten Netzbetriebszuständen auf den Überstromschutz von MV-LV-Transformatoren und MV-Kabeln sowie auf den Reserveschutz aufgezeigt, und schließlich wird eine nicht erschöpfende Liste potenzieller Abhilfemaßnahmen vorgelegt. Für die Simulationen und Analysen wird ein von EKZ geteiltes MS-Netz im PowerFactory-Format mit MS-NS-Transformatoren verwendet, während die NS-Lasten auf der NS-Seite der Transformatoren aggregiert werden (ohne NS-Netze).

Die Analyse zeigt, dass es wichtig ist, den zeitvariablen Kurzschlussstrombeitrag (d. h. den Fehlerpegel S_k′′) der oberen Netze zu berücksichtigen, der für das Jahr 2035+ prognostiziert wird, wenn die Anzahl der sich drehenden Generatoren im ENTSO-E Gebiet geringer sein wird. In extremen Fällen, z.B. wenn S_k′′ 10% oder weniger als die heutigen Werte beträgt, führt die Verwendung der Norm IEC60909-2016 bei der Bewertung der Funktionalitäten der Schutzeinrichtungen zu ungenauen Ergebnissen. Je nach Lage der NS-Sammelschiene (d. h. in der Nähe des MS-MS-Transformators), den Eigenschaften des MS-NS-Transformators und der Lage der PV-Anlagen (d. h. auf MS- oder NS-Ebene) kann die IEC60909-2016 die Fehlerpegel auf der NS-Sammelschiene erheblich unterschätzen oder überschätzen. Unerwünschte Phänomene wie Schutzunterschreitungen und unerwünschte Auslösungen während Kurzschlüssen in Mittel- und Niederspannungsnetzen werden durch die Verwendung von RMS-Simulationen erkannt und besser beobachtet, insbesondere wenn S_k′′ aus den oberen Netzen deutlich niedriger ist. Aufgrund des Kurzschlussstrombeitrags von PV-Anlagen wird erwartet, dass die Schutz-Backup-Koordination für den Überstromschutz von Kabeln stark beeinträchtigt wird. Es wird erwartet, dass die Kurzschlussstrompegel auf der Niederspannungsseite der Transformatoren beeinträchtigt werden. Wenn das Energieversorgungsunternehmen HHS (Hochspannung-Hochleistung Sicherung) in Koordination mit den Schutzeinrichtungen an den NS-Abgängen einsetzt, müssen die Koordinationseinstellungen für unterschiedliche Betriebsbedingungen (z. B. hohe PV-Erzeugung mit niedrigem S_k′′) neu bewertet werden.

Final report (English)

The objectives of this project are (i) to analyze the impacts of converter-interfaced resources in distribution grids on the protection layouts of medium- and low-voltage distribution grids (MV and LV) and (ii) to assess the efficacy of the state-of-the-art methods for designing and assessing the protection layouts in distribution grids by using a quantitative framework: For (i) the focus is given to the future generation layouts when the number of conventional generators at high voltage (HV) and extra-high voltage (EHV) grids are varying significantly daily (e.g., summer daytime) and seasonally (e.g., summer vs. winter). For example, distributed generation at MV and LV grids such as solar PVs are expected to supply most of the demand on summer days. Since the number of online rotating machines at HV and EHV grids is reduced, maximum short-circuit currents (I_k”) supplied by the HV and EHV grids to the faults in the MV and LV grids are expected to significantly reduce, will result in not activation or delayed activation of the protection devices. This phenomenon is known as ”protection under-reach”, and not desired by the grid operators. In addition, due to the short-circuit current contribution of distributed generation at MV- and LV-grids, unnecessary activation of protection devices in feeders without faults are expected, especially if the protection devices are non-directional. This phenomenon is known as ”nuisance & sympathetic tripping”, and not desired by the operators, either. For (ii), the industrial standard, IEC60909-2016, which is widely used in the industry when designing and assessing the distribution grid protection systems, is assessed by using the results of the RMS simulations for selected generation layouts in (i).

In this report, first the benefits of RMS simulations (compared to the results of the IEC60909-2016 standard) for protection studies are demonstrated, especially when the grid voltages are deviating significantly from nominal voltage. For RMS simulations, the FEN in-house tool, FlexDYN*, is used. Next, the fault levels (i.e., short-circuit current levels, I_k”) in a given MV grid for selected grid operating states with high and low renewable energy resources such as PV is assessed. Following, the impacts of different fault levels in selected grid operating states on overcurrent protection of MV-LV transformers and MV cables as well as back-up protection are demonstrated, and finally a non-exhaustive list of potential mitigation measures is provided. For simulations and analyses, an MV grid is used, shared by EKZ in PowerFactory format, including MV-LV transformers, while the LV loads are aggregated at the LV side of the transformers.

The analysis shows that it is essential to consider the time-variant short circuit current (i.e., fault level, S_k′′ ) contribution from upper grids, projected for 2035+ when the number of spinning generators will be lower in ENTSO-E region. In extreme cases, for example when S_k′′ is 10% or less than today’s values, the use of the IEC60909-2016 standard in assessing the functionalities of the protection devices lead to inaccurate results. Depending on the location of the LV bus (i.e., proximity to HV-MV transformer), the MV-LV transformer’s characteristics, and the location of the PVs (i.e., at MV vs. LV), IEC60909-2016 may significantly underestimate or overestimate the fault levels at the LV bus. The undesired phenomena such as protection under-reach and nuisance & sympathetic tripping during short circuits in MV and LV grids are detected and better observed by using RMS simulations, especially when S_k′′ from upper grids is significantly lower. Due to short-circuit current contribution of solar PVs, the protection back-up coordination for overcurrent protection of cables are expected to be severely affected. The short-circuit current levels at the LV side of the transformers are expected to be affected. If the utility uses HHS (Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung / HV-fuse) in coordination with the protection devices at the LV feeders, the coordination settings shall be re-assessed for different operating conditions (e.g., high PV generation with low S_k′′).

Related documents

• Final report [PDF] 15'346 kB

Final report (French)

Les objectifs de ce projet sont (i) d'analyser les impacts des ressources interfacées avec les convertisseurs dans les réseaux de distribution sur les schémas de protection des réseaux de distribution moyenne et basse tension (MV et LV) et (ii) d'évaluer l'efficacité des méthodes de pointe pour la conception et l'évaluation des schémas de protection dans les réseaux de distribution à l'aide d'un cadre quantitatif : Pour (i), l'accent est mis sur les futurs schémas de production lorsque le nombre de générateurs conventionnels sur les réseaux à haute tension (HT) et à très haute tension (THT) varie considérablement d'un jour à l'autre (par exemple, pendant la journée en été) et d'une saison à l'autre (par exemple, en été et en hiver). Par exemple, la production distribuée sur les réseaux MT et BT, telle que les panneaux solaires photovoltaïques, est supposée répondre à la majeure partie de la demande les jours d'été. Étant donné que le nombre de machines rotatives en ligne sur les réseaux HT et THT est réduit, les courants de court-circuit maximaux (I_k") fournis par les réseaux HT et THT aux défauts sur les réseaux MT et BT devraient diminuer de manière significative, ce qui entraînera la non-activation ou l'activation retardée des dispositifs de protection. Ce phénomène, connu sous le nom de « protection under-reach », n'est pas souhaité par les gestionnaires de réseau. En outre, en raison de la contribution du courant de court-circuit de la production distribuée aux réseaux MT et BT, on peut s'attendre à une activation inutile des dispositifs de protection dans les lignes d'alimentation sans défaut, en particulier si les dispositifs de protection ne sont pas directionnels. Ce phénomène est connu sous le nom de « nuisance & sympathetic tripping », et n'est pas non plus souhaité par les opérateurs. Pour (ii), la norme industrielle IEC60909-2016, qui est largement utilisée dans l'industrie lors de la conception et de l'évaluation des systèmes de protection des réseaux de distribution, est évaluée en utilisant les résultats des simulations RMS pour les schémas de production sélectionnés en (i).

Ce rapport démontre tout d'abord les avantages des simulations RMS (par rapport aux résultats de la norme IEC60909-2016) pour les études de protection, en particulier lorsque les tensions du réseau s'écartent de manière significative de la tension nominale. Pour les simulations RMS, l'outil interne du FEN, FlexDYN*, est utilisé. Ensuite, les niveaux de défaut (c'est-à-dire les niveaux de courant de court-circuit, I_k") dans un réseau MT donné pour des états de fonctionnement du réseau sélectionnés avec des ressources d'énergie renouvelable élevées et faibles telles que le PV sont évalués. Ensuite, les impacts des différents niveaux de défaut dans les états d'exploitation du réseau sélectionnés sur la protection contre les surintensités des transformateurs MT-BT et des câbles MT ainsi que sur la protection de secours sont démontrés, et enfin une liste non exhaustive de mesures d'atténuation potentielles est fournie. Pour les simulations et les analyses, un réseau MT est utilisé, partagé par EKZ au format PowerFactory, comprenant des transformateurs MT-BT, tandis que les charges BT sont agrégées du côté BT des transformateurs.

L'analyse montre qu'il est essentiel de prendre en compte la contribution du courant de court-circuit variable dans le temps (c'est-à-dire le niveau de défaut,_Sk′′) provenant des réseaux supérieurs, prévue pour 2035+ lorsque le nombre de générateurs tournants sera plus faible dans la région ENTSO-E. Dans les cas extrêmes, par exemple lorsque S_k′′ est inférieur ou égal à 10 % des valeurs actuelles, l'utilisation de la norme IEC60909-2016 pour évaluer les fonctionnalités des dispositifs de protection conduit à des résultats inexacts. En fonction de l'emplacement du bus BT (c'est-à-dire à proximité du transformateur HT-MT), des caractéristiques du transformateur MT-BT et de l'emplacement des PV (c'est-à-dire en MT ou en BT), la norme IEC60909-2016 peut sous-estimer ou surestimer de manière significative les niveaux de défaut au niveau du bus BT. Les phénomènes indésirables tels que la protection insuffisante et les déclenchements intempestifs et sympathiques pendant les courts-circuits dans les réseaux MT et BT sont détectés et mieux observés en utilisant des simulations RMS, en particulier lorsque S_k'' des réseaux supérieurs est significativement plus faible. En raison de la contribution du courant de court-circuit des panneaux solaires photovoltaïques, on s'attend à ce que la coordination de la protection de secours pour la protection contre les surcharges des câbles soit gravement affectée. Les niveaux de courant de court-circuit du côté BT des transformateurs devraient être affectés. Si le service public utilise des HHS (Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung / fusible HT) en coordination avec les dispositifs de protection au niveau des départs BT, les paramètres de coordination doivent être réévalués pour différentes conditions d'exploitation (par exemple, une production PV élevée avec un S_k'' faible).