Optimization of overcurrent protection relay settings in active distribution networks considering thermal stress curves protected elements : doctoral dissertation

Optimizacija vremena prorade nadstrujnih releja je tema povezana s koordinacijom nadstrujne relejne zaštite aktivnih distribucijskih mreža. Ispravno podešenje nadstrujnih releja i minimiziranje njihovog vremena prorade, uz zadržavanje selektivnosti, postaje ozbiljan izazov za operatore distribucijskih mreža diljem svijeta. Posljednjih godina, pasivni rad distribucijskih mreža je uvelike promijenjen priključenjem distribuiranih izvora električne energije. Stoga, zaštitne postavke svih postojećih i novih releja moraju se temeljito provjeriti prije priključenja novih proizvodnih jedinica jer doprinosi struje kvara mogu imati značajan utjecaj na rješavanje problema optimizacije nadstrujne relejne zaštite. Rješenje optimizacijskog problema obično se postiže minimiziranjem vremena prorade primarnih releja. Međutim, nije u potpunosti istraženo ima li lokacija nastanka kvara značajan učinak na ta ista rješenja. Stoga, u ovom doktorskom radu problem optimizacije nadstrujnih releja ispitan je s praktičnog gledišta kroz različite lokacije nastanka kratkog spoja. Također, predložena je nova metoda za optimizaciju postavki usmjerenih nadstrujnih releja u aktivnim distribucijskim mrežama s obzirom na termički ekvivalent struje kratkog spoja. Modificirani genetski algoritam koristi se kao optimizacijski algoritam kako bi se istovremeno minimiziralo vrijeme prorade primarnih releja i maksimizirala vremenska sigurnosna margina između prorade rezervnih releja i krivulje termičkog naprezanja njihovih odgovarajućih štićenih elemenata. Drugim riječima, glavna optimizacijska funkcija cilja koja se minimizira je definirana kao zbroj vremena prorade svih primarnih releja i recipročnog zbroja termičkih vremena diskriminacije. Potonji dio je neophodan jer inženjer zaštite mora biti siguran da je vrijeme prorade rezervnog releja što dalje od krivulje termičkog naprezanja štićenog elementa. Za svako rješenje, algoritam osigurava ispravnu koordinaciju između primarnih i rezervnih parova releja u cijeloj mreži. Simulacija je provedena za zatvorenu prstenastu petlju srednjenaponske distribucijske mreže, a rezultati su detaljno prikazani s više različitih aspekata kako bi se pokazala učinkovitost predloženog pristupa. Glavna prednost ovog optimizacijskog algoritma je da pokazuje može li postojeći zaštitni sustav sigurno raditi ispod krivulja termičkog naprezanja štićenih elemenata ili su potrebne dodatne mjere zaštite. Zaključno, ispitan je utjecaj promjene konfiguracije distribucijske elektroenergetske mreže na optimalne postavke nadstrujne relejne zaštite.Overcurrent relays optimization is a topic associated with the coordination of overcurrent relay protection in active distribution networks. Proper settings of overcurrent relays and minimizing their operating time, while maintaining selectivity, become significant challenges for distribution network operators worldwide. Lately, the passive operation of distribution networks has been greatly altered by the integration of distributed energy resources. Therefore, the protective settings of all existing and new relays must be thoroughly verified before connecting new generation units since contribution fault current can have a significant impact on addressing the optimization problem of overcurrent relay protection. The solution to the optimization problem is typically achieved by minimizing the operating time of primary relays. However, it has not been fully explored whether the fault location has a significant effect on these solutions. Therefore, this doctoral thesis examines the optimization problem of overcurrent relays from a practical perspective through different fault locations. Additionally, a new method is proposed to optimize the settings of directional overcurrent relays in active distribution networks considering the thermal equivalent of short-circuit current. A modified genetic algorithm is employed as the optimization algorithm to simultaneously minimize the operating time of primary relays and maximize the time safety margin between the operation of backup relays and the thermal stress curve of their corresponding protected elements. In other words, the main objective optimization function to be minimized is defined as the sum of the operating times of all primary relays and the sum of the reciprocals of thermal discrimination times. The latter part is necessary as the protection engineer needs to ensure that the operating time of the backup relay is far enough from the thermal stress curve of the protected element. For each solution, the algorithm ensures proper coordination between primary and backup relay pairs throughout the network. Simulation is conducted for a closed-loop radial medium-voltage distribution network, and the results are presented in detail from multiple perspectives to demonstrate the effectiveness of the proposed approach. The main advantage of this optimization algorithm is that it can indicate whether the existing protective system can operate safely below the thermal stress curves of the protected elements or if additional protection measures are required. In conclusion, the impact of changes in the configuration of the distribution power network on the optimal settings of overcurrent relay protection has been investigated