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Thèse Année : 2020

Protection, Fault Location and Isolation in Smart Grids

Protection, Localisation et Isolement de Défauts dans les Réseaux Intelligents

Résumé

In the light of recently approved grid codes, photovoltaic (PV) systems connected to distribution networks in the event of a fault must remain connected and actively support the grid voltage recovery. These requirements have imposed various challenges on not only protection schemes but also Fault Location and Isolation Systems (FLIS) of distribution networks, especially when PV penetration reaches a certain high level. Therefore, the work presented in this thesis focuses on the development of solutions to these issues. This task is approached as follows.First, the thesis studies all new grid codes applicable to PV systems connected to both medium voltage (MV) and low voltage (LV) networks. Then, a detailed analysis of the control strategy for PV inverters meeting all of the above grid requirements is provided. In addition, the study briefly describes main components, such as load, transformer, battery energy storage system. To evaluate solutions proposed in the thesis, models of three real MV grids, including Grid-1 with three LV microgrids, Grid-2, and Gird-3 are built either in DIgSILENT|PowerFactory or in Matlab|Simulink. Finally, the unconventional fault behavior of PV systems with the designed control method and the impacts of their high integration on distribution protection schemes and FLISs are analyzed and discussed.From the knowledge of the drawbacks indicated above, there is a proposition of a directional method based on the measurement of prefault voltage and during-fault negative sequence current. Equations describing the proposed method for different fault types are first derived by using circuit theory and then used for numerical analysis. The next step is evaluation of the proposed method when being applied for Grid-2 by simulation. Results obtained from simulation indicate that the use of these above quantities provides an efficient polarization method for detecting fault direction, even for extremely high PV integration.Afterwards, by using the above directional method, together with other protection principles, the thesis further presents various protection strategies suitable for MV networks with connected LV microgrids. The protection strategies are developed starting from PV interface protection to ensure their fault ride-through capability and requirements for successful islanding of the LV microgrids. Special attention also focuses on the protection elements for primary and backup functions, the coordination between different protection levels, and the need for communication assistance. Additionally, a grid control facility is mentioned to achieve the smooth transition of LV microgrids to the islanded mode in the event of external faults. Indeed, the simulation results of the proposed protection schemes provide evidences of high effectiveness.Furthermore, two FLISs are constructed. One is founded on an artificial neural network (ANN) whereas the others relies on a multi-agent system (MAS) with an IEC 61850-oriented design. Requiring only a small number of measuring points, the former FLIS allows simple implementation while ensuring high accuracy and low computation time. On the other hand, the latter solution depends on the data exchange between agents and their ability to make operational decisions locally. A full explanation of the agents' structure and their operational logic is offered. To assess the MAS-based FLIS, the thesis offers two different methods . The first is a cosimulation system comprising PowerFactory simultaneously coupled with several Python programs via an OPC server. The second is the implementation of a Controller-Hardware-in-the-Loop platform. Various case studies show high effectiveness of operational coordination and interoperability between agents. Finally, the evaluation results indicate that the two proposed FLISs correctly identify faulty section with reduced time, resulting in the improvement of several system reliability indices, such as SAIDI and CAIDI.
À la lumière des codes de réseau récemment approuvés, les systèmes photovoltaïques (PV) connectés aux réseaux de distribution en cas de panne doivent rester connectés et soutenir activement le rétablissement de la tension du réseau. Ces exigences ont imposé divers défis non seulement aux systèmes de protection, mais aussi aux systèmes de localisation de défauts et d'isolement (FLIS) des réseaux de distribution, en particulier lorsque la pénétration du photovoltaïque atteint un certain niveau élevé. Par conséquent, cette thèse se concentre sur le développement de solutions à ces problèmes et est abordée comme suit.Tout d'abord, la thèse étudie tous les nouveaux codes de réseau applicables aux systèmes PV connectés à la fois aux réseaux moyenne tension (MT) et basse tension (BT). Ensuite, une analyse détaillée de la stratégie de contrôle pour les onduleurs PV répondant à toutes les exigences du réseau ci-dessus est fournie. Pour évaluer les solutions proposées dans la thèse, des modèles de trois réseaux MT réels, dont le Grid-1 avec trois micro-réseaux BT, le Grid-2 et le Gird-3 sont construits soit dans DIgSILENT|PowerFactory, soit dans Matlab|Simulink. Enfin, le comportement non conventionnel des systèmes PV en cas de défaut avec la méthode de contrôle conçue et les impacts de leur intégration élevée sur les schémas de protection de la distribution et les FLIS sont analysés et discutés.À partir de la connaissance des inconvénients indiqués ci-dessus, il y a une proposition de méthode directionnelle basée sur la mesure de la tension avant défaut et du courant de séquence négative pendant le défaut. Les équations décrivant la méthode proposée pour différents types de défauts sont d'abord dérivées en utilisant la théorie des circuits, puis utilisées pour l'analyse numérique. L'étape suivante consiste à évaluer la méthode proposée lorsqu'elle est appliquée à la grille 2 par simulation. Les résultats obtenus par simulation indiquent que l'utilisation des quantités ci-dessus fournit une méthode de polarisation efficace pour détecter la direction du défaut, même pour une intégration PV extrêmement élevée.Ensuite, en utilisant la méthode directionnelle ci-dessus, ainsi que d'autres principes de protection, la thèse présente en outre diverses stratégies de protection adaptées aux réseaux MT avec des micro-réseaux BT connectés. Les stratégies de protection sont développées à partir de la protection de l'interface PV pour assurer leur capacité à surmonter les défauts et les exigences pour un îlotage réussi des micro-réseaux BT. Une attention particulière est également accordée aux éléments de protection des fonctions primaires et de secours, à la coordination entre les différents niveaux de protection et à la nécessité d'une assistance en matière de communication. En effet, les résultats de simulation des schémas de protection proposés attestent d'une grande efficacité.En outre, deux FLIS sont construits. L'un est fondé sur un réseau neuronal artificiel, tandis que l'autre repose sur un système multi-agent (MAS) de conception orientée CEI 61850. Ne nécessitant qu'un petit nombre de points de mesure, l'ancien FLIS permet une mise en œuvre simple tout en garantissant une grande précision et un faible temps de calcul. En revanche, la seconde solution dépend de l'échange de données entre les agents et de leur capacité à prendre des décisions opérationnelles au niveau local. Pour évaluer le FLIS basé sur MAS, la thèse propose deux méthodes différentes . La première est un système de cosimulation comprenant PowerFactory simultanément couplé à plusieurs programmes Python via un serveur OPC. La seconde est la mise en œuvre d'une plate-forme de type Controller-Hardware-in-the-Loop. Dans l'ensemble, les résultats de l'évaluation indiquent que les deux FLIS proposés identifient correctement la section défectueuse en un temps réduit, ce qui a permis d'améliorer plusieurs indices de fiabilité du système, tels que SAIDI et CAIDI.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03065960 , version 1 (15-12-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03065960 , version 1

Citer

Tran The Hoang. Protection, Fault Location and Isolation in Smart Grids. Electric power. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2020. English. ⟨NNT : 2020GRALT026⟩. ⟨tel-03065960⟩
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