Distribution Automation and Self-Healing Urban Medium Voltage Networks

Abstract

In this dissertation, Distribution automation (DA) and self-healing methods for urban medium voltage (MV) networks are thoroughly investigated. DA is one of the key elements in mitigating the inconvenience caused by power outages. DA is especially targeted at shortening the interruption time once the fault has occurred. The research begins with the studies on customer interruption costs (CIC). Customer group and CIC variation in different urban areas are analysed. As a part of this research, also a postal survey to estimate the CIC of commercial customer was carried out. The idea is to define, where customers are mostly affected by interruptions and then utilize this information in DA optimization. It was shown, that CIC increases as the energy density increases and that CICs are highest in urban core. A general optimization method was developed and presented in this work. The utilized planning approach relies on the comparison between CICs and the lifetime costs associated with DA. Also the effects of substation outages to the benefit of DA are evaluated. A new general and flexible method of DA optimization is developed. The correlation between an optimal DA coverage and an urban area type is studied. Also the effect of substation outages on the benefit of distribution automation is evaluated. The results show, that focusing DA in an urban core is more beneficial than implementing DA evenly in MV network. Besides a new general layout, a new detailed DA optimization method is formulated. The new detailed model informs the exact location of the automation and takes into account the impact of earth fault events and their required time-consuming fault management process. Owing to the obtained results, ignoring the impact of earth faults and the fault management procedures, may lead to suboptimal DA optimization. After the novel general and detailed DA optimization models, practical self-healing implementations are presented. Neutral current compensation is an effective method of mitigating the interruptions. However the sustained operation during earth faults, enabled by compensating the neutral current, increases the risk of an earth fault evolving into multiple faults. To decrease this risk, the isolation of the fault should be rapid. This leads to a need of a fast fault management automation. New fault management features and functions for fast fault location, isolation and recovery are created and presented in this work. The need for comprehensive and inexpensive fault indications was described in this work. There is the need for a simple but a reliable earth fault indicator which is based on current measurements solely. Three new fault indication solutions are proposed. Finally a feasibility test of the methods presented in this work was performed in a real urban distribution network.

Väitöstyön tarkoituksena on tarkastella verkostoautomaatiota ja itsekorjautuvan verkon kannattavuutta ja soveltuvuutta kaupunkien keskijänniteverkkoihin. Verkostoautomaatio on avainasemassa vähentämässä sähkönjakelun keskeytysten aiheuttamaa haittaa (KAH). Verkostoautomaatiolla saadaan merkittävästi lyhennettyä keskeytysten pituutta. Tutkimuksen aluksi arvioidaan KAH-arvoja eri kaupunkivyöhykkeillä. Arviointia parantamaan toteutettiin kysely yksityisen ja julkisen palvelun KAH-arvoista eri kaupunkialueilla. Tavoitteena oli määritellä alueet, joissa asiakkaiden haitta on suurinta. Tutkimus osoitti, että KAH-arvot kasvavat kun energiatiheys kasvaa sekä sen, että haitat ovat korkeimmat ydinkeskusta-alueilla. Työssä on muodostettu verkostoautomaation yleinen ja joustava optimointimalli. Optimointimallissa vertaillaan keskeytyksistä aiheutuvaa haittaa ja verkostoautomaation elinkaarikustannuksia. Sähköasemavikojen merkitys verkostoautomaation optimointiin havaittiin merkittäväksi, samoin tutkitaan verkostoautomaation hyödyntämistä sähköasematason verkonsuunnittelussa. Optimaalisen verkostoautomaatiotason ja eri kaupunkivyöhykkeiden välinen korrelaatio osoitetaan. Tulokset osoittavat, että verkostoautomaation keskittäminen ydinkeskusta-alueille on kannattavampaa kuin yhdenmukainen asennusmallinnus koko verkon alueella. Yleisen optimointimallin lisäksi työssä kehitettiin uusi yksityiskohtainen verkostoautomaation optimointimalli. Yksityiskohtainen malli osoittaa verkostoautomaatille tarkat optimisijainnit. Tämän lisäksi myös eri vikatyyppien, erityisesti maasulkuvikojen vianhallintaprosessin merkitys verkostoautomaation optimointiin mallinnettiin. Mikäli eri vikatyyppien ja niiden erilaisia vianhallintaprosesseja ei oteta huomioon, verkostoautomaation kannattavuuslaskennan tulokset eivät ole täysin optimaalisia. Työssä esitellään myös käytännön sovelluksia ja toteutuksia työssä luoduille malleille. Maasulkuvirran kompensointi tehokas tapa vähentää sähkönjakelun keskeytysten määrää. Kompensoimalla maasulkuvirta voidaan yksivaiheisen maasulkuviat selvittää ilman asiakaskeskeytyksiä. Toisaalta sähkönjakelun jatkaminen vian aikana aiheuttaa verkkoon ylimääräistä jänniterasitusta, mikä voi lisätä vaikeasti selvitettävien monivikojen todennäköisyyttä. Jotta monivikojen kehittymisen riskiä voisi pienentää, ​​ vian erottamisen pitää olla nopeaa. Työssä on myös kehitetty sovellus tukemaan nopeaa vianhallintaa. Tarve kattavalle ja edulliselle vikailmaisimille tuli esille tehdyissä tutkimuksissa. Väitöstyössä ehdotetaan käyttöön kolmea uutta vian ilmaisun metodia. Lopuksi väitöstyössä luotujen mallien käyttökelpoisuutta testattiin soveltamalla niitä todelliseen kaupunkiverkkoon.