Denna tekniska rapport är utförd för kraftbolaget Jämtkrafts räkning. Syftet är att uppdatera ett antal selektivplaner för kraftstationen vid Kattstrupeforsen samt angränsade elnät. Fokus ligger på felströmsberäkningar och kontroll av selektivitet mellan olika reläskydd. Relevant data har erhållits från Jämtkraft, vilken sammanställdes i och beräknades med hjälp av kalkylprogrammet Excel. Två olika driftfall har undersökts; driftfall 1 som är normal drift och driftfall 2 där T3 är ur drift. Fem principiellt åtskiljda fel kan uppstå vid varje driftfall. Felströmmar har beräknats för trefasig kortslutning, tvåfasig kortslutning och stum enfasig jordslutning för varje typ av fel och driftfall. Selektiviteten mellan olika reläskydd illustreras med hjälp av ström-tid diagram på en logaritmisk skala. Över lag råder det god selektivitet för området, men vissa selektivitetsproblem kan dock uppstå. Några obefogade funktioner kan ske på grund av kort utlösningstid för två reläskydd vid T1. Detta verkar vara ett känt problem då önskan om att höja deras utlösningstid från 0,1 s till 0,4 s för steg 1 redan finns i de existerande selektivitetsplanerna, men har noterats som ej möjlig att genomföra. Även denna rapport kommer fram till att en höjning av utlösningstiden till 0,4 s skulle lösa dessa problem och det rekommenderas att en ny kontroll görs om möjligheten att genomföra detta. Om T3 skulle tas ur drift en längre tid kan det vara motiverat att sänka funktionsvärdet till 3100 A för det momentana steget för IL11s kortslutningsskydd för att ge selektiv frånkoppling för alla fel. Vissa dokumentationsfel för impedansvärdena för de två distansskydden har uppdagats där impedansen som de påstås mäta inte riktigt stämmer överrens med vad inställningarna skulle mäta enligt ABBs specifikationer. Diskrepansen är dock mycket liten och är således försumbar när det kommer till felmätningar. En av diskrepanserna för IL9S4 kan åtgärdas genom att ändra inställningen för parametern S2 från 5,71 till 5,75.

Variable renewable energy sources typically connect to the power grid through power electronic interfaces. Increased use of such sources can cause issues for conventional distance protection. The purpose of distance protection is to detect transmission line faults and trip circuit breakers accordingly in order to maintain power system stability and power quality, and to ensure the safety of equipment and humans. Conventional distance protection solutions work satisfactorily in grids dominated by synchronous generators, but it has been recognized in industry and academia that new solutions may be needed in power grids dominated by power electronics interfaced generation due to the non-linear system impacts introduced by such sources. It was the aim of this thesis project to investigate the performance of alternative solutions used toward this end, specifically time domain distance protection solutions which are immune to the dynamics of power electronics interfaced sources. Short-circuit simulations for different fault scenarios have been performed in PSCAD, utilising models with a wind farm connected via a single overhead transmission line to a grid represented by a voltage source and impedance. The PSCAD line voltages and currents were processed in Matlab where both a more conventional phasor-based algorithm and a time domain differential equation based algorithm were implemented and simulated. A tripping logic based on detecting stable fault distance estimates within the primary protection zone was used. The implemented algorithms were compared for 96 scenarios in their ability to identify the faults and fault types, estimate the fault distances, and in their tripping speed. The results show an overall better performance for the differential equation algorithm compared to the conventional phasor-based algorithm, with more successful trips, faster tripping speed and superior distance estimate convergence on the correct fault distance. Some limitations have also been identified for the differential equation algorithm such as a fault impedance trajectory in the impedance plane which can lead to incorrect trips during external faults when using conventional tripping logic. It is suggested that more research be done regarding the differential equation algorithm with the next step being further algorithm development and testing when using fault impedance estimates and a tripping zone in the impedance plane. / Variabla förnybara energikällor använder vanligtvis kraftelektronik som ett gränssnitt för kopplingen till kraftnätet och ökningen av sådana källor kan skapa problem för konventionella distansskydd. Distansskydds syfte är att detektera jord- och fasfel på kraftledningar samt att skicka utlösningssignaler till strömbrytare för att isolera felet, vilket behövs för att upprätthålla kraftnätets stabilitet, effektkvalitet samt för att säkerställa säkerhet för komponenter och människor. Konventionella distansskydd fungerar bra i kraftnät dominerade av synkrongeneratorer men det har uppmärksammats av industrin samt den akademiska världen att nya lösningar kan behövas i kraftnät som är dominerade av energikällor med kraftelektronik-gränssnitt på grund av dess olinjära dynamik. Syftet med detta examensarbete är att undersöka prestandan av alternativa algoritmer för distansskydd som kan användas mot detta ändamål, specifikt tidsdomän algoritmer som är immuna mot dynamiken introducerad av kraftelektroniken. Kortslutningssimuleringar för olika scenarion har simulerats i PSCAD modeller med en vindkraftpark kopplad i änden på kraftledningen, där spänningarna och strömmarna sparas för vidare analys. Resultaten från PSCAD simuleringar bearbetades i Matlab där både en konventionell algoritm baserad på fasvektorer samt en tidsdomän algoritm baserad på differentialekvationer har implementerats och simulerats. Den implementerade utlösningslogiken baserades på att detektera stabila estimeringar för avståendet mellan skyddsreläet och felet på kraftledningen, där utlösningssignaler skickas för stabila estimeringar detekterade inom den primära skyddszonen för reläet. De implementerade algoritmerna jämfördes i 96 olika scenarion för deras förmåga att: identifiera fel och feltypen, estimera avståndet mellan skyddsreläet och felet samt för deras utlösningstider. Resultaten visar en i överlag bättre prestanda för differentialekvations-algoritmen jämfört med den konventionella fasvektor-baserade algoritmen med fler lyckade strömbrytarutlösningar, snabbare utlösningstider samt bättre konvergens och mer korrekt lokalisering för avståndsestimeringen mellan skyddsreläet och felet. Vissa limitationer har även identifierats för differentialekvations-algoritmen, exempelvis en felimpedans-kurva i impedansplanet vilket kan leda till inkorrekta utlösningar för externa fel om ett konventionellt impedansområden används för utlösningslogiken. Det föreslås att mer forskning bör utföras kring differentialekvations-algoritmen med nästa steg att vidare utveckla algoritmen samt utföra tester vid användande av felimpedansestimeringar och en utlösningslogik baserad på impedansområden.

En tranmissionsledning är delen av elsystemet som överför ström från kraftverk till slutanvändare. Därför är det av vikt att en transmissionslinje alltid ska vara skyddad. Syftet med detta examensarbete var att utveckla och prova en konfiguration av teleskyddsschema med kommunikation mellan två reläskydd med distans- och jordfelsskydd över längsdifferentialskyddets kommunikationskanaler. Detta för att skydda elnätet och koordinera utlösningstiden.  Konfigurationen av reläskydden har utvecklats med mjukvaran ABB PCM600, och funktionerna som valdes är adekvata funktioner för distansskydd, jordfelsskydd och teleskyddsschema.  Provningen delades till två delar. Först verifierades funktionaliteten av distansskyddet och jordfelsskyddet på var och en av reläskydden som självständig skydd, detta för att säkerställa självständiga funktionaliteten av var och en av reläskydden med distans- och jordfelsskydd i fall teleskyddschemat inte var fungerande. Därefter har teleskyddsschemats sändnings- och mottagningsfunktionalitet mellan reläskydden för både distansskyddet och jordfelsskyddet kontrollerats att möjligtvis fungera genom att endast använda en fiberoptisk kabel. Ett fungerande och pålitligt teleskyddsschema med kommunikation mellan två reläskydd kunde säkerställas fungerande genom användning av längsdifferentialskyddets kommunikationskanaler för distans- och jordfelsskydd. Teleskyddsschemat förstärkte distansskyddet och jordfelsskyddet genom accelerering av utlösningssignal, och som en konsekvens samordna utlösningstiden mellan reläskydden vid felavkänning, vilket förbättrade skyddet ännu mer. Direkt kommunikation mellan reläskydden har visat sig vara användbar och tillämpbar, och en användning av sådan implementation är möjlig för isolerade linjer och anläggningar samt mikronät som inte kräver en kontinuerlig övervakning och kontroll. / A transmission line is the part of the electrical system that transfers current from power stations to the end-user. Therefore, it is of importance that a transmission line stays always protected. The purpose of this bachelor thesis is to develop and test a configuration for teleprotection scheme communication between two protective relays with distance and earth fault protection using line differential protection communication channels, that is to protect the electrical grid and coordinate tripping time. The configuration has been developed with the software ABB PCM600, and the chosen functions are adequate functions for distance and earth fault protection and the Teleprotection scheme. The testing has been divided into two parts. Primarily, the functionality of distance and earth fault protection has been tested and verified on each one of the protective relays, that is to ensure the independent functionality of each one of the protective relays with distance and earth fault protection in case there is no Teleprotection scheme functioning. next, the sending and receiving functionality of the teleprotection scheme between the protective relays with distance protection and earth fault protection has been controlled to be possibly functioning through using only a fiber-optic cable. A functioning and reliable Teleprotection scheme with communication between two protective relays could be verified functioning through using line differential protection communication channels for distance and earth fault protection. The Teleprotection scheme strengthened the distance protection and earth fault protection through acceleration of trip signal, and as a consequent coordinating the trip time in case of fault detection. Direct communication between protective relay using fiber-optic cable has proven to be useful and applicable, and a using of such implementation is possible for isolated electrical line and facilities and also micro grids that does not require continuous monitoring and control.

Reliability requirements for power systems have been constantly increasing, as customers of electric power desire high power availability. In order to improve continuity of supply in medium voltage (MV) networks, utilities in many countries in Europe, North/South America and Oceania use resonant earthing and allow the operation of the network during a single phasetoearth fault for periods from several seconds up to several hours, since the earthfault current at the fault point in such systems is considerably reduced and is unlikely to damage equipment or create hazardous voltages for people or livestock. Due to the neutral potential displacement during the phasetoearth fault, the healthy phases can rise up to 1.73 times the nominal values in the entire network, overstressing insulation and increasing the probability of a second fault from another phasetoearth fault somewhere in the network. The situation of two simultaneously active phasetoearth faults on different phases at different locations in a network is commonly called a crosscountry or doubleearth fault. The current through the earth then becomes many times higher than in case of a single phasetoearth fault in a resonantearthed network. Few studies about CrossCountry faults in MV systems have been done so far, particularly with real fault data and simulations. This thesis has as main objectives to: improve understanding of how crosscountry faults behave in resonantearthed systems; show how the double fault situation can be analytically calculated; and study what difficulties these faults can pose to traditional distance protection. This is done by: analyzing recordings of real faults, obtained from utilities in Scandinavia; modelling the fault situations analytically; simulating such systems with real system data; and examining in particular how faultedphase selection and distance protection behave during these faults. The developed mathematical model was compared with a simple simulated system. The results showed that the modelling produces accurate results. Analysis of the real faults showed that crosscountry faults cannot be equated directly to more traditional singlephase or doublephase faults on particular feeders, since voltages and currents can behave in atypical manners. Finally, during the comprehensive simulations of such network, limitations of traditional distance protection were identified. Phasetophase loops can face difficulties in properly detecting crosscountry faults even when one of the two simultaneous faults is relatively close to the measuring point. Phasetoearth loops can only be reliable when faults are solid or with very low resistance and in conditions where zero sequence current is present, while for multiple infeeds can also face difficulties. / Kraven på elkraftsystemets pålitlighet ökar hela tiden, då kundernas krav på tillgänglighet hela tiden stiger. Som ett led i att förbättra leveranssäkerheten på mellanspänningsnivån har ett flertal elnätsbolag i Europa, Nord och Sydamerika samt Oceanien börjat använda spoljordning. Genom detta kan jordfel under drift tillåtas, på allt ifrån sekundbasis till timmar. På detta sätt undviks driftavbrott vid jordfel. Spoljordning gör att jordfelsströmmen reduceras vilket minimerar risken för person, djur och egendomsskador. Under ett enfasigt jordfel höjs spänningen i de två opåverkade faserna till maximalt 1.73 gånger den nominella spänningen, detta i hela det aktuella nätet. Spänningshöjningen riskerar att ge skador på isolaringen, vilket gör att risken för uppkomsten av ett andra jordfel någonstans i samma nätavsnitt ökar. Att två enfasiga jordfel på olika platser inträffar samtidigt i samma nät, kallas dubbelt jordfel, på engelska crosscountry fault. Strömmen genom jord i ett spoljordat nät blir i detta fallet mycket högre än för ett enfasigt jordfel. Än så länge har bara ett fåtal studier med verkliga data och simuleringar gällande dubbla jordfel på mellanspänningsnivå utförts. Detta examensarbete syftar till att: förbättra förståelsen för hur dubbla jordfel uppkommer i spoljordade nät; beskriva hur dubbla jordfel kan beräknas analytiskt; och visa på vilka svårigheter dubbla jordfel kan ge för distansskydd. Detta görs genom: att analysera verkliga fel uppkomna i Skandinavien; analytisk modellering av dessa situationer; simulering med data från verkliga elnät; undersökning av hur felbehäftade delar och dess distansskydd beter sig vid fel. Den utvecklade matematiska modelleringsmetoden är jämförd med ett enkelt system som var simulerat, och resultaten av jämförelsen visar att modellen ger ett överensstämmande och noggrant resultat. Analysen av verkliga fel visar att dubbla jordfel inte direkt kan likställas med traditionella enfas- eller tvåfasfel för ett och samma utgående fack, då spänning och strömmar kan ha olika beteende. Avslutningsvis kunde begränsningar hos traditionella distansskydd upptäckas, tack var en omfattande simulering av nyss nämnda elnät. Fas- fas slingan kan se svårigheter att detektera dubbla fel även när ett av dessa två är nära till mätpunkten. Fas- jord slingan är endast pålitlig när felresistansen är försumbar, eller i fall där felresistansen är låg, samt i fall när nollföljdsströmmen är närvarande. Flera felströmsinmatningar kan likaså ställa till svårigheter.