A substation must be properly protected against lightning and other external effects to the equipment in the station or staff, for that we use relay protection. They should also protect against internal errors which may occur as ground faults. There are different types of protection relays, but most common are overcurrent-, distance-, residual current- and differential protection. The purpose of this thesis was to deepen our knowledge of relay protection and to use the theoretical knowledge we got from the university studies in the work process. In the process we discovered which parameters were the most essential and calculated these for all relay protections on the substation. We also carry out a comparison between two brands of relay protection, ABB and Alstom. During our work we will test and simulate the over-current relays in a program called NEPLAN, the program will also calculate the fault currents. It was also supposed to test the other protection types, but we were limited to over-current protection when the software license didn´t apply to the other. In our work we will include much theoretical material with information about the components around the protections and substation and the calculations that’s included.

This is a verification of the results of “Smart Grid Protection through Self-Healing” from the publication of Chathurika Chandraratne, et al., that proposes a protection solution for the smart grid. The paper used as reference has as the main focus on three different protections; directional overcurrent protection, overcurrent protection, and transformer protection, which are validated through ETAP software simulation of IEEE- 9 bus and 14 bus electrical power systems, the same used by the author. It was validated after repeated simulation, that just as intended, self-healing increases system agility, and it helped prevent false-tripping14 bus electrical power systems.

Uddevalla Energi AB äger fem vattenkraftstationer uppförda från 1920 och framåt. De är lokaliserade i Bäveån i Uddevalla kommun. Den totala installerade effekten i vattenkraftstationerna uppgår till omkring 2 MW. Vattenkraftstationen K4 Fossumsberg,vars installerade effekt uppgår till 1 MW, är den största utav anläggningarna ur denna aspekt. Utöver energiproduktion ska anläggningarna även svara för reglering av vattenståndet i Öresjö och i Bäveån. På uppdrag av Uddevalla Energi Elnät AB utförs detta examensarbete för att fastställa vilken utrustning som rekommenderas till kontrollanläggningarna för vattenkraftstationerna. De huvudområden som undersöks är generatorskydd, reglering, kommunikation och HMI. Krav från Uddevalla Energi Elnät AB ställs på olika skyddsfunktioner som exempelvi söverströmsskydd, jordfelsskydd, över- och underspänningsskydd, samt bakeffektskydd.Vidare önskas även att ny utrustning ska vara kompatibel med protokoll som stödjer MicroSCADA och har möjligheter för framtida användning av protokollet IEC 60870-5 för kommunikation mellan stationsutrustning och SCADA-systemet i driftcentralen. En rad produkter, varav ett flertal skulle kunna lämpa sig väl för ändamålen, undersöks från leverantörerna Schneider Electric, ABB och DEIF. Slutsatser dras bland annat om att Uddevalla Energi Elnät AB bör investera i separata enheter för reglering och för generatorskydd och inte kombinerade lösningar. Detta för att uppnå större säkerhet i händelse av fel i anläggningarna. Vidare konstateras att för att få ett komplett underlag att luta sig mot vid val av utrustning bör priser undersökas ytterligare, för att kunna väga in denna aspekt. / Five small hydroelectric power plants, constructed 1920 and later, are owned by UddevallaEnergi AB. The hydroelectric power plants are located in Bäveån in Uddevalla. The total installed power is approximately 2 MW. K4 Fossumsberg is the largest hydroelectric powerplant and has a production capacity of 1 MW. The hydroelectric power plants is not only used for energy production but also for regulation of the water levels in Bäveån and Öresjö. On behalf of Uddevalla Energi Elnät AB this bachelor thesis has been done to specify which equipment is preferable as the station monitoring and control equipment. The key areas ofthe report is generator protection, control and regulation, communication and HMI in the plants. There are demands from Uddevalla Energi Elnät AB regarding for instance overcurrent protection, earth fault protection, over- and under voltage protection and reversepower protection. Furthermore it is requested that the new station monitoring and controlequipment is compatible with MicroSCADA and has further options for using the protocol IEC 60870-5 for communication between station and the SCADA system used in the operating centre. Numerous products has been studied and many of them fulfil the requirements stated by Uddevalla Energi Elnät AB. The manufactures mentioned in this report are Schneider Electric, ABB and DEIF. Conclusions are made that Uddevalla Energi Elnät AB should invest in separate units for control and generator protection to achieve a higher level of safety in case of a fault in either generator protection or control equipment. Furthermore it is concluded that to obtain a more complete specification to use when choosing equipment one should consider the cost. More research is needed to take this into account.

Darbe atliktas relinės apsaugos nuo įžemėjimo atrankamo tyrimas, išnagrinėti neutralės įžeminimo režimai ir jų įtaka įžemėjimo atrankumui. Išanalizuotas apsaugų skirstymas pagal kontroliuojamą elementą. Atlikta Akcinės bendrovės „VST“ Šiaulių regione naudojamų relinės apsaugos įrenginių analizė ir funkcijų palyginimas. Ištirtos keturių tipų neteisingos relinės apsaugos nuo įžemėjimo suveiktys. Nustačius, kad įžemėjimo pažaidos metu nulinės sekos srovėje atsiranda aukštesnės eilės harmonikų atliktas bandymas, kurio metu išanalizuotas aukštesnių dažnių įtaka nulinės sekos transformatorių paklaidoms. Nustatyti dėsningumai susiję tarp dažnio ir paklaidos. Tyrimo metu išaiškintos priežastys lemiančios atrankumą įžemėjimo pažaidos metu. / The selectivity research of link protection of grounding has been done and the grounding modes of neutrality and their influence to grounding selectivity have been analyzed. Moreover, the distribution of protection under a controlling element has been studied. The research of the equipment of link protection used in the Stock Company “VST” Šiauliai region has been implemented and compared its functions. There have also been analyzed four types of effect due to wrong link protection of grounding. It was estimated that during the period of disturbance of grounding a higher line of harmonic appears in the current of null string. The experiment was implemented which estimated bias of transformers of null string by the influence of higher rates. Regularity related between rates and bias has been estimated. In addition the research explained the reasons which determines selectivity during the period of the grounding disturbance.

Detta examensarbete är utfört på uppdrag av Rejlers Ingenjörer i Göteborg. Syftet med arbetet är att genom en projektering övergripande presentera utförandet, komponenter, funktioner, ekonomi och situationsplaner för två förslag på stationsutformningar i samband med en ombyggnation och utvidgning av en transformatorstation. Transformatorstationen har i nuläget två spänningsnivåer på 40 kV och 10 kV. I samband med ombyggnationen skall stationen kompletteras med ytterligare en spänningsnivå på 20 kV, för anslutning av ett antal vindkraftverk. För att anläggningen skall uppfylla grundläggande krav, utförs projekteringen genom att sortera och sammanställa relevant information från gällande föreskrifter, standarder och tekniska riktlinjer. Vidare inhämtas ytterligare information från litteratur, kataloger, produktblad och muntlig kontakt med uppdragsgivaren. I arbetet presenteras två förslag på stationsutformningar i enlighet med syftet. Stationens högspänningsapparater dimensioneras och presenteras, och dess reläskyddsfunktioner identifieras. I båda alternativen är transformatorerna placerade utomhus med en stationsbyggnad som rymmer 10 kV-, 20 kV-ställverket, ett batterirum och ett kontrollrum. Skillnaden mellan alternativen ligger främst i att ett av alternativen har ett utomhusbyggt luftisolerat 40 kV-ställverk medan det andra alternativet har ett kompaktare inomhusbyggt luftisolerat 40 kV-ställverk. Den totalt beräknade kostnaden, inklusive drift- och underhållskostnader, under en 25-årsperiod beräknas uppgå till 22,7 Mkr för utomhusalternativet och 22,4 Mkr för inomhusalternativet. Skillnaden mellan alternativen förväntas stiga till inomhusalternativets fördel, om även samhällskostnader vid avbrott vägs in i kalkylen. Rekommendationen är att transformatorstationen uppförs enligt inomhusalternativet, eftersom detta torde anses ge bäst totalekonomi, driftsäkerhet och skydd mot obehörigt tillträde. / This bachelor´s thesis is carried out on behalf of Rejlers Ingenjörer in Gothenburg. The work aims to overall present the realization of two station design proposals, including components, functions, financial aspects and plans, in connection with a reconstruction and expansion of a substation. The substation currently has two voltage levels of 40 kV and 10 kV. In connection with the reconstruction, the station is supplemented by a further voltage level of 20 kV, for connection of a number of wind turbines. For the installation to meet basic requirements, the work is performed by sorting and putting together relevant information from applicable regulations, standards and technical guidelines. Further information is obtained through additional information from literature, catalogues, product sheets and verbal contact with the job requestor. In the thesis the two station design proposals are presented in compliance with the aim. The high voltage equipment is dimensioned and presented, and the relay protection functions are identified. In both options, the transformers are located outdoors with a station building that houses 10 kV, 20 kV switchgear, a battery room and a control room. The main difference between the alternatives is that one of the options has an outdoor air insulated 40 kV switchgear, while the second one has a more compact indoor air insulated switchgear. The total estimated cost, including operation and maintenance costs, over a 25-year period is estimated at 22.7 million Swedish kronor for the outdoor option and 22.4 million Swedish kronor for the indoor alternative. The difference in costs is expected to rise to the advantage of the indoor option if social costs during a power failure also are taken into account in the calculation. It is recommended that the substation be built according to the indoor option, since this is considered to provide the best overall economy, safety of operation and protection against unauthorized access.

The electrical grid contains protection functions to ensure a secure and efficient disconnection of faulty plant parts in accordance with Swedish law, applicable standards and industry practice. The aim with this bachelor thesis has been to develop a way of testing relay protection equipment to ensure the applicable standards are followed and at the same time show the result in a way that is easy to understand and makes it possible to use the result in E.ONs risk and vulnerable analysis. A risk and vulnerable analysis is required under regulation EIFS 2013:3. The work has consists of four stages. The first stage has been to examine the existing situation and see how the work is performed. The second stage has been to study the literature about the subject and the demands that E.ON places on the testing procedure. The third stage has been to develop a report template. The fourth stage has been to test the proposed method in reality and to guarantee the desired function of the protection. It has been discovered that the most appropriate way of reporting testing is a template where relay parameters and the testing protocol are collected into one file where an automatized assessment is done of the protection equipment. This approach also makes it possible to use the results directly in E.ONs risk and vulnerability analysis. The report contains a theoretical background of the protection equipment for electrical plants and grids. The report also shows the development of the testing plan together with the proposed reporting templates.The work shows that a periodical testing of electrical protections should consist of the following parts:• Visual inspection• Verification of tripping, blocking and signalling circuits• Verification of relay protection equipment• Measuring of operating valuesThe way of testing has been a bit simplified. This has been done by excluding those parts from the testing that are not necessary in modern protection equipment. A saving in the data handling has also been achieved when some handling has become automatic. / <p>Validerat; 20150608 (global_studentproject_submitter)</p>

The relay protections of the transmission lines play a fundamental role in the electrical power systems. They permit to ensure the security and the reliability of the electricity transmission from the generators to the final consumers. The objective of a relay protection is to provide a corrective action as quickly as possible when an abnormal condition of the power system is detected. The quickness of the response permits to limit the stress on the equipments of the power system and the consumers, to ensure the security of the people, to improve the power quality and to maintain the stability of the power system.The protective relaying systems have evolved a lot since their first implementation in the 1900’s. However, the electrical power systems are in constant evolution and the reliability of the protective relaying systems becomes more and more challenging. The three main characteristics of the relay protections which are security, dependability and speed must be continuously improved to achieve these objectives. The major relay protections implemented nowadays are based on frequency-domain methods. These methods are intrinsically limited in speed by the phasor estimation of the voltage and current signals. More recent methods based on incremental quantities permitted to break this limitation by working directly in time-domain. Despite the speed of these methods, the dependability is usually limited in order to ensure the security.In this work, it is proposed to develop a time-domain ultra-fast non-pilot distance protection based on a Gamma model of line to improve the security, the dependability and the speed, even for long lines and weak power systems. This protection is composed of a loop selection element, a directional element and a distance element. The target tripping time is 4 ms or less. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Arbetet beskriver möjligheten att kunna utföra prediktivt underhåll med hjälp av information frånCOMTRADE störningsfiler. En mjukvarualgoritm som hämtar tidsförlopp för händelser som uppstårvid störningar och kan ge indikationer på ifall reläer eller strömbrytare faller utanför optimalaarbetsförhållanden har utvecklats. På detta sett kan underhållsarbete utföras vid behov vilket kanspara tid och pengar för att inte göras efter schemalagda tider.Tillsammans med uppdragsgivare från Megger och Ellevio utfördes arbetet med syfte att utvecklaen programvara som stöd för prediktivt underhåll. Programvaran kunde ta ut tidshändelser förregistrerade störningar och kunde hantera flertalet scenarion för vilka typer av information somfunnits tillgängligt ur filen. En användare har tillgång till en automatisk algoritm som gör analysav filen och ett manuellt verktyg där vidare analyser kan göras ifall utfallet från algoritmen inte ärgodtyckligt.Trender över tid är något som finns möjlighet att få ut ur algoritmen, men det kräver en större mängddataset än som varit tillgänglig under arbetet. / The work describes the opportunities to perform preventive maintenance with the help of informationfrom COMTRADE disturbance files. A software algorithm was developed which collects disturbancedata and gives indications if equipment are not working within optimal conditions.Using thisinformation preventive maintenance can be performed based on need instead of scheduling to savetime and money.Together with supervisors from involved companies a software was developed to be used as a supportfor preventive maintenance. The software can extract disturbance times and handle multiple scenariosbased on information collected from disturbance files. A user has access to a algoritm that createsautomatical analysis of the COMTRADE file and a manual tool for extensive analysis when the algoritmdoes not give proper results.Trends over time can be analysed with the algortim, this do require a larger amount of data than whatwas available during the work.

Väl inställda reläskydd för ställverk är en nödvändighet för en personoch driftsäker anläggning. Rapportens mål är att undersöka om oriktade skydd med enbart signalering är tillräckligt för att skydda anläggningen som undersöks, och om riktade skydd har fördelen att förbättra felutpekning, minska risken för felaktig funktion eller minska funktionstiden. Anläggningen som undersökts är ett 6,3 kV industrinät med resistansjordning. I rapporten kontrolleras isolationsvärden och strömtoleranser för utrustningen, som sedan jämförs med beräknade spänningar och strömmar vid enfasiga jordfel. Rapporten beskriver också kort riktade skydd och dess funktioner i förhållande till frågeställningen om den eventuella fördelen med riktade skydd. Resultatet blev att överspänningar på grund av jordfel inte är något problem, men felströmmen genom nollpunktsmotståndet är för stor för enbart signalering. Vid stumma jordfel klarar nollpunktsmotståndet av att hantera felströmmen i 30 sekunder, varefter värmeutvecklingen resulterar i att nollpunktmotståndet kopplas bort och anläggningen blir isolerad från nollpunkten. Riktade skydd behövs enligt studien inte i en anläggning som denna. Detta är baserat på att kabelsträckorna är för korta för att orsaka kapacitiva strömmar tillräckligt stora för att felaktig funktion ska uppstå i oriktade skydd, och att nätstrukturen inte genererar strömmar i oväntade riktningar. Rapportens resultat visar att oriktade skydd är tillräckligt men att funktionen bör ställas om till bortkoppling av felande krets. / Well-adjusted relay protection for electrical substations is a necessity for personal safety and reliable operation. The aim of the report is to investigate whether non-directional protection with signaling alone is sufficient to protect the facility being investigated, and if directional protection has the advantage of improving fault detection, reducing the risk of unnecessary operation or reducing the function time. The facility under investigation is a 6.3 kV industrial network with resistance grounding. The report checks the insulation values and current tolerances for the equipment, which are then compared with calculated voltages and currents at single-phase earth faults. The report also briefly describes directional protection and its functions in relation to the issue of the potential benefit of directional protection. The result was that overvoltages due to earth faults are not a problem, but the fault current through the neutral point resistance is too large for signaling alone. In the case of earth faults with very low fault impedance, the neutral point resistance can handle the fault current for 30 seconds. After which the heat development results in the neutral point resistance being disconnected and the facility being isolated from the neutral point. According to the study, targeted protection is not needed in a facility like this. This is based on the fact that the cable paths are too short to cause capacitive currents large enough to cause unnecessary operation in non-directional protection, and that the network structure does not generate currents in unexpected directions. The result of the report shows that non-directional protection is sufficient, but that the operation function should be changed to tripping of faulty circuits

I denna rapport utfördes en selektivplan på uppdrag av Kraftkällan Konsult för ett elnätsbolag i södra Sverige. Det visades att elnätet hade selektiva problem i samtliga stationer mellan reläskydden. Problemen har uppstått då karakteristiken i elnätet ändrats i samband med ombyggnationer. För att lösa problemen simulerades en modell av elnätet i PowerTools för att ta reda på kortslutningsströmmarna och nya selektivkurvor ritades efter dessa. Rekommendationer för högspänningssäkringar i nätstationer har också gjorts baserat på de nya kortslutningsströmmarna.