Protection of Power Systems with Distributed Generation State of the Art

Martin Geidl Power Systems Laboratory Swiss Federal Institute of Technology (ETH) Zurich geidl@eeh.ee.ethz.ch 20th July 2005

Translate and Editor By :

Suparman,ST

Fajariyah Mulyani,ST Andrik Sunyoto,ST

Department of Electrical Engineering,

University of Brawijaya Malang

1. Introduction

1.1 Generasi Terdistribusi. Pembangkitan terdistribusikan memiliki beberapa karakteristik yang sama, Peringkat ² mereka kecil dibandingkan dengan pembangkit listrik konvensional: mereka sering milik pribadi2 , mereka tidak terpusat dikirim 2 , mereka terhubung ke jaringan distribusi MV atau LV 2 , mereka tidak memberikan kontribusi terhadap frekuensi

atau kontrol tegangan 2. dan biasanya mereka tidak dipertimbangkan ketika

jaringan lokal yang direncanakan 2.

1. Introduction

Dalam hal regulasi pasar untuk DG , perizinan , bantuan pemerintah dan privasi. pertimbangan ekonomis menampilkan kenaikan biaya yang mungkin tidak hanya untuk DG tetapi juga untuk transmisi dan distribusi. Akhirnya , ada sudut pandang teknis , dan perlindungan ternyata menjadi salah satu isu teknis yang paling problematis karena kerusakan yang dapat menyebabkan risiko serius bagi orang-orang dan komponen .

1.2 Sistem Proteksi Daya

Prinsip-prinsip perlindungan sistem tenaga Dasar diuraikan dalam literatur standar [ 13 , 14 ] . Tujuan utama dari sistem proteksi listrik adalah untuk memastikan operasi sistem tenaga aman ,yaitu untuk meminimalkan dampak dari kesalahan tidak dapat dihindari dalam sistem. Kesalahan pembumian dapat menyebabkan tegangan sentuhan dan membahayakan orang . tujuannya adalah untuk menghindari arus lebih dan tegangan lebih untuk menjamin operasi yang aman dari sistem tenaga .

1.2 Sistem Proteksi Daya

Saat ini, perangkat perlindungan elektromekanis digantikan oleh prosesor berbasis mikro controler yang terintegrasi. Arus dan tegangan yang sesuai diubah dan terisolasi dari jumlah baris oleh transformator instrumen dan diubah ke dalam bentuk digital. Selektivitas Redundansi Grading Keamanan Dependability

1.2 Sistem Proteksi Daya

Topologi jaringan yang berbeda membutuhkan skema perlindungan yang berbeda. Struktur jaringan yang paling sederhana untuk melindungi adalah sistem radial, Sebuah prinsip perlindungan yang sangat umum adalah: perlindungan generator, transformer, busbar dan garis perlindungan difierential.

1.3.1 Mesin

Mesin Synchronous (SM) secara luas digunakan untuk air yang lebih besar, uap dan pembakaran tanaman mesin didorong, misalnya Gabungan Panas dan Tenaga Listrik (CHP) tanaman.

1.3 Sistem Interkoneksi & Pembangkitan

Asynchronous atau Mesin Induksi (AM, IM) terutama digunakan untuk wind and hydroplants. Oleh karena itu, kontrol tegangan dan operasi biasanya tidak mungkin dengan AM. Untuk pembangkit listrik angin yang modern mesin induksi doublefed digunakan. Hubungan antara frekuensi fn jaringan dan frekuensi fr mekanik poros, rotor fm frekuensi saat ini di mesin tersebut adalah.

𝐾2 𝜋 𝑓𝑚 + 𝑓𝑟 = 𝑓𝑟 …………………(1)

1.3 Sistem Interkoneksi & Pembangkitan

di mana k adalah konstanta bilangan bulat karena desain mesin. Persamaan ini menjelaskan menunjukkan mesin dapat beroperasi dengan berbagai kecepatan mekanik dimana frekuensi jaringan f adalah konstan: Rangkaian rotor harus fedwith sebuah fn frekuensi yang sesuai. Metode ini memungkinkan turbin angin untuk berjalan dalam jangkauan yang lebih luas dari kecepatan dan ada kedepan untuk mengoptimalkan efficiency.4

1.3.2 Transformers

Setiap kali mesin atau inverter yang terhubung ke jaringan tegangan nominal yang berbeda, transformator diperlukan. The tegangan tinggi berliku dari transformator biasanya digunakan untuk memenuhi persyaratan grounding utilitas. Konfigurasi Delta-Wye umumnya di terhenti untuk generator terisolasi. Dalam hal perlindungan, koneksi transformator ini penting karena urutan nol impedansi sangat tergantung pada jenis berkelok-kelok (∆-Y) dan juga pada sambungan bumi. Referensi [19] membandingkan lima koneksi transformator umum menguraikan masalah dan beneflts mereka.

1.3.3 Interfaces Elektronika Daya

stasiun tenaga angin sering terhubung melalui konverter. angin yang besar umum DC busbar mengumpulkan kekuatan dan memberikan ke jaringan utilitas melalui salah satu rectifler dan satu transformator [23]. Turbin mikro biasanya drive mesin sinkron dengan kecepatan yang sangat tinggi (karena efisiensi). Frekuensi tinggi harus dikonversi ke frekuensi utilitas nominal. Panel photovoltaic dan sel bahan bakar secara langsung menghasilkan daya DC yang harus dikonversi.

1.3.3 Interfaces Elektronika Daya

Keuntungan dari konverter daya elektronik adalah kemampuan kontrol mereka. Cara apapun, konverter harus dilengkapi dengan pengendali yang dapat digunakan untuk mencapai sejumlah fungsi. Tegangan atau kontrol daya reaktif dapat diintegrasikan dalam konverter sebagai fitur tambahan [20]. Dalam hal perlindungan, itu adalah kerugian yang jelas dari perangkat semikonduktor yang katup mereka hampir tidak membebani mampu, yaitu yang berlebihan tidak dapat diterima untuk waktu yang lama. Oleh karena itu kontrol converter dirancang untuk prohibithigh arus apa mengarah ke kurangnya shor daya tcircuit yang diperlukan untuk perjalanan perlindungan.

1.3.4 Gambar Sistem Interkoneksi

Sistem interkoneksi DG dan menyatakan beberapa tren dan kebutuhan penelitian. Juga status komersial peralatan interkoneksi (daftar produsen, biaya dan harga, dll) diuraikan. Sistem interkoneksi sebagai "sarana yang unit DER elektrik terhubung ke sumber listrik luar dan memberikan perlindungan, pemantauan, pengendalian, metering dan pengiriman unit DER,“ Ketika mengintegrasikan DG dalam jaringan yang ada adalah bahwa sistem distribusi direncanakan sebagai jaringan pasif, daya didistribusi langsung dari Pembangkitan pusat (tingkat HV) ke beban di tingkat MV / LV. Desain sistem proteksi pada jaringan distribusi MVand LV umum ditentukan oleh paradigma pasif

1.3.4 Gambar Sistem Interkoneksi

Gambar 1: Interconnection system functional scheme [24]; AEPS...Area Electric Power System; DER...Distributed Energy Resource; PCC...Point of Common Coupling.

2.1 Short Circuit Power and current level

arus hubungan singkat dijelaskan sebagai berikut

𝑓𝑙 = 𝑖 =1

𝑍𝑡ℎ …………… . . (2)

Dimana : I = adalah arus gangguan ZTH =adalah impedansi

Contoh Hubung Singkat

𝐼𝑓 = 𝐼𝑛𝑤 + 𝐼𝑑𝑔 ……………………(3)

Pengaruh Hubung Singkat

Hubung Singkat pada Pembangkitan tersebar mempengaruhi : amplitude, directionand duration (indirectly)

2.2 Mereduksi Jangkauan Impedansi Relay Berkurangnya jangkauan relay jarak karena kesalahan maksimum yang memicu relay di zona impedansi tertentu, atau dalam waktu tertentu karena konfigurasinya. Jarak maksimum ini sesuai dengan impedansi kesalahan maksimum atau arus gangguan minimum yang terdeteksi.

Dimana Z23 = adalah impedansi garis dari bus ke bus b2 b3 Z = adalah impedansi antara bus b3 Maka relay dapat diukur dengan :

𝑍𝑟 = 𝑈𝑟𝐼𝑛𝑤 = 𝑍23 + 𝑍3𝑎 +

𝐼𝑑𝑔

𝐼𝑛𝑤 𝑍3𝑎 ……… . (5)

𝐼𝑑𝑔

𝐼𝑛𝑤 𝑎𝑑𝑎𝑙𝑎ℎ 𝑅𝑒𝑑𝑢𝑑𝑎𝑛𝑐𝑒

𝑈𝑟 = 𝐼𝑛𝑤 𝑍23 + 𝐼𝑛𝑤 + 𝐼𝑑𝑔 𝑍2𝑎……………(4)

2.3 Profil Tegangan & Aliran Daya

Jaringan distribusi radial biasanya dirancang untuk aliran listrik searah, dari aliran ke beban. Asumsi ini tercermin dalam skema perlindungan standar dengan arah di atas relay saat ini. Dengan generator pada jaringan distribusi, situasi arus beban dapat berubah. Seperti digambarkan dibawah ini adalah profil jaringan dan aliran daya

Pembangkitan tersebar selalu tegangan proflle & jalur distribusi sama. Jika kualitas daya, dapat menyebabkan pelanggaran batas tegangan dan menyebabkan stres tegangan tambahan untuk peralatan. Tegangan naik / turun (∆U) karena daya in-/out dapat dihitung dengan persamaan berikut:

∆𝑈 ≈ 𝑃𝑑𝑔 𝑅𝑡ℎ + 𝑄𝑑𝑔 𝑋𝑡ℎ

𝑈𝑛 ………… . . (6)

di mana Un adalah tegangan nominal sistem, RTH + jXth adalah impedansi & PDG + jQth adalah kekuatan dalam umpan dari DG.

2.4 Islanding and Autoreclosure

Situasi ini sering disebut sebagai Loss Of Mains ( LOM ) atau Loss Of Grid ( LOG ). Ketika LOM terjadi , baik tegangan maupun frekuensi dikendalikan oleh pasokan utilitas. Biasanya , mengisolasi daerah operasi adalah konsekuensi dari kesalahan dalam jaringan jika generator terus beroperasi setelah pasokan listrik terputus. Jika terjadi gangguan hubung singkat, fitur otomatis (recloser) akan memutus disumber ganguan sehingga generator terus beroperasi , dua masalah mungkin timbul ketika jaringan secara otomatis menghubungkan kembali setelah gangguan singkat :

Jika Hubung singkat dari unit DG, reclosure akan memtus suplay karna jika tdk terputus akan menyebabkan Overvoltage / Over Current

frekuensi mungkin telah berubah karena daya unbalance.7 aktif reclosing saklar akan pasangan dua sistem operasi serempak.

Dengan waktu pengaturan relay auto reclosure adalah between100 ms dan 1000ms.

konstanta inersia dari H mesin, mesin 'nilai daya Sn dan frekuensi menjadi LOM fs:

𝑑𝑓

𝑑𝑡=∆𝑃 𝑓𝑠2𝑆𝑛𝐻…………… . . (8)

∆𝑓 = ∆𝑃 𝑓𝑠2𝑆𝑛𝐻 . 𝑡𝑖 ………(9)

Dimana perubahan frekwensi berbanding lurus dengan waktu

2.5 Masalah Lainya Dalam DG

2.5.1 ferroresonance

ferroresonance dapat terjadi dan peralatan pelanggan kerusakan atau transformer. Untuk jalur kabel , di mana kesalahan biasanya permanen, sekering digunakan sebagai perlindungan arus, di ransformer terhubung melalui dua tahap untuk waktu yang singkat . Kemudian , kapasitansi kabel adalah seri dengan induktansi transformator apa yang bisa menyebabkan ini tegangan tinggi karna arus dalam resonansi .

2.5 Masalah Lainya Dalam DG

2.5.2 Grounding

Dalam [18,19,26,27,37] masalah grounding karena beberapa jalur pentanahan saat ini disebutkan. Jika unit DG terhubung melalui transformator ∆ - ϒ membumi , kesalahan pada pentanahan baris utilitas akan menyebabkan arus tanah

2.5 Masalah Lainya Dalam DG

Gambar diatas adalah prosedur autoreclosure : kesalahan terjadi pada tf, pemutusan pada td, terkoneksi di tr, pemutusan dengan interval ti, keadaan switch utilitas S, utilitas fs frekuensi sinkron, frekuensi pulau fi, penurunan frekuensi ∆f. di kedua arah, dari kesalahan ke trafo utilitas serta transformator DG. Ini normaly tidak dipertimbangkan dalam sistem distribusi tanah koordinasi kesalahan. Dalam [37] masalah Loss Of Earth (LOE) untuk titik tunggal sistem distribusi didasarkan ditunjukkan. Ketika pernah sambungan utilitas bumi hilang, seluruh sistem mendapatkan matahari membumi.

3. Current Practice

3.1 Islanding Detection DG telah diuraikan dalam bagian 2.4. Untuk mencegah operasi, sistem proteksi harus dapat mendeteksi daerah operasi dengan cepat dan andal. Ini adalah tugas dari perlindungan listrik. untuk mendeteksi pembangkit yang terdistribusi mengunakan metode pasif dan aktif. Metode ini akan diuraikan sebagai bagian berikut:

3.1.1 Metode Pasif

Metode ini mendeteksi hilangnya daya secara pasif, mengukur atau memantau sistem yang terdistribusi. Baik itu Under Voltage / Overvoltage.

Sebuah indikasi yang jelas bahwa pasokan daya terdistribusi pada utilitas yang hilang adalah tegangan yang sangat rendah. Jika ada generator yang tidak terkendali dalam jaringan, tegangan.

Gambar 5: Tegangan pergeseran vektor setelah mendarat. dengan Enw, Znw dan generator dengan Edg, Zdg masing-masing.

3.1.2 Metode Aktif

Selain pengukuran pasif dan monitoring, ada metode deteksi aktif dimana sistem deteksi (relay) secara aktif berinteraksi dengan sistem power untuk mendapatkan indikasi untuk operasi yang terdistribusi.

Gambar 8: skema perlindungan untuk generator dalam sebuah jaringan utilitas MV (1.

3.2 Interconneksi vs perlindungan Generator

Perlindungan Interkoneksi: melindungi grid dari unit DG, yaitu memberikan perlindungan pada grid-side untuk operasi paralel DG dan grid. Persyaratan untuk bagian ini biasanya ditetapkan oleh utilitas.

3.3 Contoh State-of-the-Art Relays

3.3.2 Kehilangan Induk Relay

Tyco Electronics menawarkan hilangnya perlindungan listrik relay 246-ROCL dan 256-ROCL yang dirancang untuk aplikasi di mana generator yang berjalan secara paralel dengan pasokan listrik [48]. Kedua laju perubahan frekuensi dan tegangan pengukuran pergeseran vektor yang terintegrasi untuk detectd koneksi dari generator. Pengguna dapat menyesuaikan pengaturan untuk VVS 2-24 - dalam langkah 20, ROCOF dari 0,10 sampai 1.00Hz / s dalam langkah 0.05Hz / s, dan menunda startup dari 2 to12s.

3.3.3 Kontrol Perangkat Genset Terpadu

kontrol genset untuk unit operasi tunggal [ 49 ] . Perangkat mengintegrasikan sejumlah fitur untuk pengukuran , perlindungan dan kontrol . Dalam hal perlindungan menyediakan tegangan , frekuensi , atas beban , mundur dan mengurangi daya , ketidakseimbangan beban , deflnite dan terbalik saat waktu , kesalahan tanah dan hilangnya deteksi listrik.

3.3.4 General Electric Universal Interkoneksi Perangkat

General Electric telah mengembangkan perangkat interkoneksi universal untuk interkoneksi sumber daya didistribusikan energi ( juga disebutkan dalam bagian 1.3.4 ) [ 25 ] . Komponen utamanya : disebut Cerdas Perangkat Elektronik ( IED ) , berdasarkan teknologi yang ada estafet , yang memberikan perlindungan , kontrol dan fitur lainnya , juga remote control . Dua switch yang memungkinkan pengoperasian DG secara paralel ke grid atau pada beban lokal . Dua pemutus sirkuit untuk perlindungan darurat . transformer Pengukuran untuk metering dan pemantauan . Power supply untuk IED , relay kontak , dan pengisi daya baterai .

3.4 Rekomendasi & Pedoman Standar Internasional

Selain sejumlah aturan interkoneksi spesifik nasional dan utilitas, ada beberapa standar internasional dan rekomendasi diterbitkan [20,50,51]. Mungkin yang paling penting adalah: IEEEC 37.95 - 1989 Guide for Protective Relaying of Utility

Consumer Interconnections [52] IEEE 929 - 2000 Recommended Practice for Utility

Interface of Photovoltaic (PV) Systems [53] IEEE 242 - 2001 Recommended Practicefor Protectionand

Coordination of Industrial and Commercial Power Systems [46].

IEEE 1547 Series of Standards for Interconnection [54] (inprogress)

4 New Approaches

4.1 Adaptive Protection Systems

Perlindungan Adaptive adalah sebagai " suatu aktivitas online yang merespon sistem proteksi untuk mendeteksi perubahan kondisi dalam sistem bisa otomatis , ataupun campur tangan manusia (manual)" [55]. Sebuah relayis adaptif " relay yang dapat memiliki pengaturannya , karakteristik atau fungsi logika berubah secara online pada waktu yang tepat dengan menggunakan sinyal eksternal yang dihasilkan atau tindakan kontrol" [55]. Dengan kata lain, sistem perlindungan adaptif adalah sistem yang memungkinkan untuk mengubah karakteristik / pengaturan secara online sesuai dengan daya masukan dari generator ( lihat bagian 2.2 ).

Example Adaptive Protection Systems: Adaptive pemodelan sistem impedansi ( impedansi model

up-to -date dari jaringan yang menyediakan data masukan untuk relay )

Adaptive sekuensial tersandung sesaat (untuk kesalahan dekat stasiun jarak jauh )

cakupan estafet jarak multi- terminal Adaptive (tentang infeed dari T - koneksi dalam pengaturan relay)

reclosure Adaptive (sukses preventun reclosure ful untuk kesalahan permanen , kecepatan tinggi reclosure dalam kasus perjalanan palsu ) .

Gambar 10 : Blok diagram adaptive software koordinasi rele [57] .

Persyaratan dasar untuk menerapkan konsep relaying adaptif : Relay berbasis mikroprosesor Perangkat lunak yang sesuai untuk pemodelan relay,

koordinasi relay dan komunikasi Sarana komunikasi yang sesuai

Sebuah skema adaptif untuk koordinasi optimal lebih dari relay saat ini disajikan dalam [59]. Jumlah zona pertama kali operasi Tii n relay diambil sebagai fungsi tujuan untuk meminimalkan , di mana sebagai koordinasi interval waktu antara zona ∆T membangun kendala . Masalah optimasi kemudian dirumuskan sebagai

Tii diasumsikan fungsi dari parameter estafet tertentu swhich adalah hasil dari optimasi. Setelah perubahan dalam jaringan, optimasi dieksekusi dan pengaturan estafet telah diperbarui dengan parameter yang optimal. Algoritma ini berhasil diterapkan pada sistem uji IEEE 30-bus.

𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑖𝑠𝑒 𝐹 = 𝑇𝑖𝑖 ……… . . (10)𝑛

𝑖=1

𝑑𝑖𝑚𝑎𝑛𝑎 𝑇𝑗𝑖 ≥ 𝑇𝑖𝑖 + ∆𝑇……… . (11)

4.2 Singkronisasi pengukuran fasor

Sebuah systems'state dapat ditentukan dengan menggunakan apa yang disebut fasor Measurement Unit (PMU). PMU tersebut memberikan pengukuran disinkronisasi tegangan terminal dan fasor arus dalam interval waktu 20 ms [60] . Sinkronisasi dari fasor dicapai dengan menggunakan Global Positioning System (GPS). Dalam apa yang disebut Lebar Sistem Proteksi Area, tegangan diukur dan fasor saat ditransfer ke komputer pusat di mana mereka akan diproses dan digunakan untuk monitoring, estimasi negara, perlindungan, kontrol dan optimasi [15,61].

4.2 Singkronisasi pengukuran fasor

Sistem tersebut menawarkan peluang besar untuk perlindungan dan kontrol. Kemungkinan menggunakan data pengukuran PMU untuk skema perlindungan adaptif diuraikan dalam [62]. Sebuah aplikasi yang mungkin dari fasor pengukuran disinkronisasi bisa deteksi LOM. Data yang dikumpulkan dari PMU dipasang di kedua sisi titik coupling (PCC) dapat digunakan untuk real-time fasor perbandingan (semacam fase perlindungan difierential). Namun, PMU adalah perangkat yang cukup mahal (hingga EUR 10'000 dan lebih), karena itu alternatif teknis layak ini tidak akan ekonomis jika hanya label untuk aplikasi ini .

4.3 Sistem Cerdas

Referensi [63] memberikan pandangan atas sistem cerdas dalam pengiriman tenaga listrik. Sistem otonom dan kecerdasan komputasi adalah proposedas solusi yang mungkin untuk kontrol terdesentralisasi. Perlindungan jarak adaptif menggunakan jaringan saraf artiflcial ditunjukkan dalam [64]. Dalam hal ini adaptasi tercapai dengan melatih jaringan saraf untuk kinerja & karakteristik tertentu.

Gambar 12 : Adaptasi dari karakteristik relai impedansi dengan menggunakan jaringan saraf artiflcial ,garis utuh : karakteristik normal; garis dot ted: karakteristik dilatih untuk mendeteksi kesalahan impedansi tinggi [64].

5 Conclusion and Future Work

Hubungan nilai numerik seperti impedansi baris, peringkat Generator adalah sama dalam jaringan difierent (HV, MV, LV) dengan asumsi bahwa nilai per-unit dianggap sama. Spects Systema & aliran daya juga sama untuk pembangkitan skala kecil dan untuk skala besar. Hal ini menunjukkan sekali lagi bahwa isu-isu kunci mengenai integrasi DG terkait dengan infrastruktur seperti data akuisisi, operasi, perlindungan dan kontrol. Sebuah infrastruktur dequate, seperti yang biasa dipasang di jaringan transmisi HV dan konvensional, pembangkit listrik terpusat, yang hilang.

Dari uraian diatas , ada tiga isu kunci untuk memecahkan masalah DG: Informasi: Mengintegrasikan DG ke jaringan distribusi yang ada ke

Instalasi sistem informasi seperti sebagai Supervisory Control And Data Acquisition ( SCADA ) sistem ( sistem intransmission dipasang ) untuk membantu memecahkan masalah , mudah diakses , untuk tujuan operasi sistem tenaga [65].

Koordinasi : koordinasi yang tepat merupakan persyaratan mendasar untuk operasi proteksi relay bekerja maksimal. sistem dan analisis harus dilakukan kasus per kasus secara tepat untuk mengkoordinasikan sistem proteksi. Software dapat diterapkan yang menawarkan fitur koordinasi khusus untuk integrasi sistem indistribution DG .

Adaptasi : Seperti disebutkan dalam [64] , pelaksanaan perlindungan adaptif adalah tugas yang menantang karena informasi yang biasanya tidak tersedia dalam jaringan distribusi diperlukan untuk memperbarui pengaturan secara kontinyu.

Visi, tren masa depan dan perkembangan yang diharapkan dalam fleld dari pengiriman tenaga listrik disajikan dalam [66,67,68,69,70]. Pandangan umum adalah bahwa generasi didistribusikan diharapkan dapat memainkan peran penting dalam sistem energi masa depan. Masa Depan dapat dikaitkan dengan hal yang dibahas dalam paragraf sebelumnya , di mana tiga pertanyaan utama muncul : Bagaimana seharusnya sistem distribusi masa depan

dirancang untuk menyederhanakan integrationof DG (menuju sistem plug-and-play)?

Bagaimana bisa mendarat adalah sistem distribusi dioperasikan dan re-disinkronisasi?

Bagaimana DG dapat dikirim terpusat (jika ingin), dan data apa infrastruktur yang dibutuhkan untuk mencapai hal ini?

Thank You