Jamal Dehghani

Dissertation Title: Evaluation and Modification of Distance Relay Zone 3 Performance in the Conditions of Reducing the Long Term and Transient Voltage Stability Margin

Abstract: Protection systems are employed to identify and clear fault conditions in power systems. Investigation of wide-area disturbances occurred in different power systems all around the world shows that the unwarranted operation of protection relays has been a participating factor in large blackouts or leastwise, further aggravating the stressful situation. Designated to protect transmission lines, distance relays have had a vital role in wide-area disturbances. Thus, the assessment of distance relay performance in power system stability studies is important. According to the bus voltage response profile to dynamic phenomena related to voltage stability, distance relays mal-function and the lack of distinction between fault and voltage reduction conditions is possible. Therefore, it is necessary to evaluate possible distance relay operation under voltage-based phenomena and introducing novel approaches to increase distance relay security during dynamic voltage transients. Long-term voltage-degraded conditions and prolonged voltage level reduction caused by the fault induced delayed voltage recovery (FIDVR) event is a threaten to the unwarranted operation of Zone 3 of the distance relays. Accordingly, this dissertation, first, proposes a novel scheme to identify the critical distance relays considering voltage stability and online calculating of Zone 3 setting of the relays subjected to mal-operation. The proposed scheme is based on time-based and line loading-based indices defined by the combination of a new concept of relay margin (RM) and the rate of change of the apparent impedance calculated by local voltage and current measurements. The indices appropriately indicate the power system situation taking into account the voltage stability. Therefore, the scheme uses the mentioned indices in the online Zone 3 setting of the critical relays for keeping the maximum backup protection. The proposed scheme is effective under long-term voltage stability margin reduction with slow-acting dynamics of power system, but it must be improved for dynamic voltage transient conditions caused by FIDVR event. Thus, the new concept of RM along with the rate of change of the apparent impedance and time-variant NERC/WECC severity indices are employed to investigate the possible operation of distance relay during the FIDVR event and proposing an auxiliary protection algorithm to effectively prevent its mal-operation during short-term dynamic voltage transient. The proposed algorithm estimates the critical time and voltage level at which the impedance trajectory arrives in Zone 3 of the critical relays. Then, the critical voltage is compared with the expected voltage level at the estimated critical time calculated by piecewise cubic spline interpolation (PCSI) method and three consecutive voltage phasors to decide about the block of relays which entering the impedance trajectory to their Zone 3 is probable during the FIDVR event. Developing analytical formulation for indices, using only local measurements, simplicity, and the applicability for the modern numerical relays are the main advantages of the proposed schemes. Concepts, how to apply, and the simulation results are demonstrated with the help of the New England 39-bus system.

عنوان رساله: ارزیابی و بهبود عملکرد ناحیه سوم رله دیستانس در شرایط کاهش حاشیه پایداری ولتاژ بلند مدت و گذرا

چکیده: سیستم های حفاظتی برای تشخیص و برطرف کردن شرایط عیب در سیستم های قدرت به کار گرفته می شوند. بااین حال، مطالعه اغتشاشات ناحیه گسترده رخ داده در سیستم های قدرت مختلف دنیا نشان می دهد که عملکرد رله های حفاظتی در وقوع یا گسترش اغتشاشات بزرگ مشارکت داشته اند. در این بین، رله های دیستانس که مسئولیت اصلی حفاظت خطوط انتقال را بر عهده دارند، نقش بیشتری در اغتشاشات ناحیه گسترده داشته اند به طوری که بررسی عملکرد این رله ها در مطالعات پایداری سیستم قدرت اهمیت یافته است. با توجه به مشخصات پاسخ ولتاژ در شین های سیستم قدرت به پدیده های دینامیکی که تحت عنوان پایداری ولتاژ دسته بندی می شوند، امکان عملکرد اشتباه رله های دیستانس و عدم تشخیص بین شرایط عیب و شرایط تنزل ولتاژ توسط این رله ها وجود دارد. بنابراین لازم است عملکرد ناحیه سوم رله های دیستانس در ارتباط با پدیده های ولتاژی سیستم قدرت بررسی و در صورت لزوم راهکارهایی برای افزایش امنیت عملکرد این رله ها در شرایط گذرای دینامیکی ولتاژ فراهم شود. کاهش حاشیه پایداری ولتاژ بلندمدت و فرآیند بازیابی با تأخیر ولتاژ ناشی از عیب (FIDVR) عامل تهدیدکننده برای امنیت عملکرد رله دیستانس محسوب می شوند. به این ترتیب، این رساله به ارزیابی همبستگی عملکرد حفاظت دیستانس و پدیده های ولتاژی شامل پایداری ولتاژ و پدیده FIDVR می پردازد. به این منظور، صرفاً از اندازه گیری های محلی رله دیستانس استفاده می شود و یک شاخص حاشیه اطمینان رله (RM) جدید با درنظرگرفتن جهت حرکت مسیر امپدانس معرفی می شود که تنها به دو اندازه گیری متوالی امپدانس دیده شده توسط رله دیستانس نیاز دارد. با استفاده از مفهوم جدید حاشیه اطمینان رله و نرخ تغییرات مسیر امپدانس ظاهری دیده شده توسط رله، یک روش جدید مبتنی بر دو شاخص زمان و توان باقی مانده تا عملکرد ناخواسته رله دیستانس در شرایط کاهش حاشیه پایداری ولتاژ بلندمدت پیشنهاد می شود که قادر است رله های دیستانس بحرانی را تشخیص دهد. به علاوه، با استفاده از شاخص های زمان و توان پیشنهادی، یک الگوریتم تنظیم برخط ناحیه سوم رله های دیستانس بحرانی در معرض عملکرد ناخواسته ارائه می شود که ضمن عدم عملکرد ناخواسته رله دیستانس، بیشترین حفاظت پشتیبان فراهم شده توسط ناحیه سوم را حفظ می کند. روش بهبود حفاظت دیستانس پیشنهادشده در شرایط کاهش حاشیه پایداری ولتاژ سیستم ناشی از دینامیک های کُند سیستم و تغییرات تدریجی مسیر امپدانس ظاهری کارآمد است اما برای پدیده FIDVR که یک پدیده دینامیکی کوتاه مدت است نیاز به اصلاح دارد. بنابراین مفهوم جدید حاشیه اطمینان رله و نرخ تغییرات مسیر امپدانس ظاهری همراه با شاخص های شدت ولتاژی معرفی شده توسط WECC/NERC به کار گرفته می شوند تا زمان و ولتاژ بحرانی متناظر با عملکرد نامطلوب احتمالی رله دیستانس در شرایط FIDVR تخمین زده شود. به علاوه، از یک تکنیک درون یابی درجه سوم و سه مقدار متوالی دامنه ولتاژ برای پیش بینی سطح ولتاژ موردانتظار باس رله استفاده می شود تا با مقایسه مقادیر تخمینی دامنه ولتاژ بحرانی و دامنه ولتاژ موردانتظار، فرمان انسداد برای رله هایی که احتمال عملکرد ناخواسته در شرایط FIDVR دارند، ارسال شود. عملکرد طرح های پیشنهادی در سناریوهای مختلف پایداری ولتاژ بلندمدت (خروج خط انتقال، تغییر آرایش و پارامترهای خط انتقال) و گذرای ولتاژ کوتاه مدت (ناتوانی سیستم تحریک ژنراتورهای سنکرون در کنترل ولتاژ و مشارکت مؤلفه های دینامیکی بار) بر روی شبکه استاندارد ٣٩ باس اعتبارسنجی می شود.