Performance analysis of transformer differential protection (87T) based on sampled values

Abstract

Resumo: A norma IEC 61850 e o barramento de processos se tornaram o padrão para sistemas de automação em subestações no mundo todo, redefinindo como os Sistemas de Proteção, Controle e Automação (PACS) são projetados. A aplicação do barramento de processos representa a utilização de merging units como um elemento de digitalização entre equipamentos primários e relés de proteção. Este novo componente no sistema de proteção pode introduzir tempo adicional para eliminação de faltas na cadeia de proteção. Para esta dissertação, o objetivo é analisar o impacto destas alterações na cadeia de proteção. Foi utilizado um ambiente de testes para avaliar uma proteção de transformador em uma condição tal que permitisse quantificar o desempenho do transformador em cenários específicos: i) diferentes topologias de merging units, com uma ou duas merging units publicando SV streams, mais uma condição com uma simulação híbrida, com um enrolamento de transformador medido digitalmente e outro convencionalmente; ii) com streams de sampled values considerando um ou dois ASDUs, como especificado nas normas IEC 61850-9-2LE e IEC 61869-9 respectivamente; iii) O volume de tráfego de rede, levando em conta o uso de VLANs para limitar as mensagens que são entregues as portas ethernet do IED de proteção, variando de todas as mensagens publicadas na rede, para apenas as necessárias, mais um caso adicional onde todos os dispositivos desnecessários foram desconectados. Todos os testes foram realizados com um relé de proteção adicional conectado em paralelo com o digital, para gerar os resultados exatos necessários para comparar aplicações digitais e convencionais. Para todos os casos de teste, uma mala de testes foi utilizada para gerar a falta diferencial trifásica. Os resultados dos testes identificaram um desempenho melhor para topologias híbridas ou com duas MUs do que com uma MU. A aplicação medida com uma ASDU encontrou tempos de trip mais rápidos do que com duas ASDU. A comparação relacionada a tráfego de dados confirma seu impacto no desempenho da proteção, onde uma rede com tráfego leve apresentou resultados melhore que em testes com volume maior. Finalmente, a comparação geral entre todos os testes com proteção com barramento de processos e convencional resultaram em resultados levemente mais rápidos para a proteção convencional. Ainda, todos os testes realizados com merging units atenderam as normas referidas para desempenho de proteção, bem como todos os resultados estão alinhados com aqueles apresentados nas publicações utilizadas como referência.

Abstract: IEC 61850 and process bus have become the standard for substation automation systems worldwide, redefining how Protection, Automation, and Control Systems (PACS) are designed. The application of process bus represents introducing merging units as the digitization element between the primary switchgear and protection relays. Such new component in the protection system can induce additional time in the overall protection chain for fault clearance. For this dissertation, the objective is to analyze the impact of such changes in the protection chain. A test environment was utilized to evaluate a transformer protection in such a condition that allowed to quantify its performance for certain scenarios: i) different merging unit topologies, with either one or two MUs publishing SV streams, plus another condition with a hybrid simulation, with one transformer winding digitally measured and another conventional one; ii) with sampled values streams considering one or two ASDUs, as present on IEC 61850-9-2LE and IEC 61869-9 respectively; iii) The network traffic load, by taking into account the usage of VLANs to limit the data that is delivered to the ethernet ports of the protection IED, ranging from all the published messages in the network, to just the necessary ones, plus an additional case where all unnecessary devices were disconnected. All tests were performed with a conventional protection relay connected in parallel to the digitized one, to generate the exact results necessary to compare digital and conventional applications. For all test cases, a relay test set was used to generate a three-phase differential fault. Test results have identified better performance for topologies with hybrid or two MUs then with one MU. The measured application with one ASDU had faster trip times then the one with two ASDU. The comparison related to network traffic shows the impact of it on protection performance, where a light network traffic load resulted on better results than the tests with more load. Finally, the overall comparison between all tests with process bus and conventional protection give the conventional protection a slight better overall result. Still, all test results with merging units have complied with the referred standards for protection performance, as well as the results are aligned with those found on reference papers.