The Advancement of Adaptive Relaying in Power Systems Protection

The Advancement of Adaptive Relaying in Power SystemsProtection2.1 AbstractThe electrical distribution system in the United States is considered one of the mostcomplicated machines in existence. Electrical phenomena in such a complex system caninflict serious self-harm. This requires damage prevention from protection schemes. Untilrecently, there was a safe gap between capacity to deliver power and the demand. Therefore,these protection schemes focused on dependability allowing the disconnection of lines,transformers, or other devices with the purpose of isolating the faulted element. On someoccasions, the disconnections made were not necessary. The other extreme of reliability callsfor security. This aspect of reliability calls for the operation of the protective devices only forfaults within the intended area of protection. There is a tradeoff here; where a dependableprotection scheme will assuredly prevent damage, it is prone to unnecessary operation whichcan lead to cascading outages.Where a secure scheme will not operate unnecessarily, it is prone to pieces of the systembecoming damaged when relays fail to operate properly. With microprocessor based relayingschemes, a hybrid reliability focus is attainable through adaptive relaying. Adaptive relayingdescribes protection schemes that adjust settings and/or logic of operations based on theprevailing conditions of the system. These adjustments can help to avoid relaymiss-operation.Adjustments could include, but are not limited to, the logging of data for post-mortemanalysis, communication throughout the system, as well changing relay parameters. Severalconcepts will be discussed, one of which will be implemented to prove the value of the newtools available.2.2 Power Systems HistoryThe distribution of electricity in the United States of America can be traced back toSeptember 4th, 1882, when Thomas Edison opened the Pearl Street Station in lower13Manhattan.Serving about a quarter of a square mile, this direct current (DC) system was primarilyused for lighting in the financial district of New York. Edison showed that it was possible toefficiently provide electricity from a central generating station. The issue with DC systemswas that the end consumer had to be located within a few miles of the generating station. Theproblem was that the low voltage used with this type of distribution led to higher currents andhigher losses on the lines used to distribute the electricity. This forced the generating plants tobe small which reduced efficiency, and it meant that only small distribution systems indensely populated areas would be effective [1].In distribution systems the voltage is held constant and the current flowing through thelines depends on the load being served. The losses associated with the lines used to distributethe electricity vary with the square of the current running through the lines. So if the currentthrough the lines doubles, the losses associated with the lines actually quadruples. At the timeEdison started implementing his systems, there was no way to easily change the voltage in aDC system.The ability to vary the voltage of the distribution lines would allow for the reduction ofcurrent during transmission, which was being developed within alternating current (AC)systems. AC allowed for transformers to increase the voltage required by transmission and areduction to a voltage level that is safe for end consumers to use; this significantly reducesthe losses of sending electricity over longer distances. Nikola Tesla was the pioneer of thisAC technology as well as the concept of polyphase distribution [1].These competing strategies of electrical distribution, AC and DC systems, led to what iscommonly known as the Battle of the Currents. Thomas Edison, owning the patents for DCsystems, argued that AC and the higher voltages associated with it was unsafe. At the sametime, however, George Westinghouse was building AC transmission lines that stretched formiles. This, along with Nikola Tesla’s development of an AC motor among otherdevelopments, led to the ultimate victory of AC systems. This victory of alternating currentled to the electrical distribution system we have today in which large generating stationsdelivering power over long distances at high voltages, which is both economical and efficient14in comparison to the original DC systems [4]. This did, however, lead to several engineeringissues to which solutions are still being developed today.The AC system pioneered by Westinghouse and Tesla has developed into one of themost complex machines in the world. The growth started with many small independentsystems. For reliability purposes, these systems were interconnected. This interconnection ofmany small systems meant that the number of machines necessary for reserve operationduring peak loads was lowered. The interconnection also enabled utility companies to get thecheapest possible power from their neighbors. These interconnections grew into the massivesystem which we have today. There are issues that arose with the creation of this massivesystem; these issues include higher fault currents, cascading failures in which multiplesmaller systems are affected when the problem only occurred in one of them, and a verydelicate balancing act that occurs between systems. The planning that goes into this system,especially the protection of the system itself, is very complicated [5]. This system is generallybroken down into generation, transmission, and loads. The transmission portion is dividedinto transmission, subtransmission, and distribution; each having different voltage levelscontrolled using transformers.2.3 GeneratorGenerators are used to convert different forms of energy into electrical energy. Mostgenerators in use today convert mechanical energy into electrical energy using magnetic fieldinteractions. This mechanical energy is generally provided in the form of a spinning primemover. The prime mover usually has a magnetic field associated with it, and its spins withinthe stator coils; the stator is the stationary portion of a generator, and the field on the rotorinduces currents within those stator coils. The spinning action can be provided using a steamturbine where some source of heat boils water to drive that turbine, or in the case of ahydroelectric dam, water could spin a turbine directly. Sometimes internal combustionengines can also be directly coupled to a prime mover. Steam power plants generate their heatby burning coal, natural gas, or oil as well as using nuclear reactions to generate heat. In thecase of using a prime mover type generator, the speed at which that generator spins isextremely important because it determines the electrical output frequency. The great thing15about all the types of generation discussed so far is that their output levels can be controlledby varying the amount of energy put into the prime movers.Other, less controllable, forms of generation include renewables like solar and windpower. Solar power can be in the form of photovoltaic energy which needs to be convertedfrom DC to AC to contribute to the system, or solar thermal which can be incorporated likeany other thermal based generation. Wind power generates electricity with a prime mover, butbecause wind speeds are not constant the electricity must be conditioned using powerelectronics to ensure the output has the correct voltage and frequency. The main issue withthese types of generation is that there is no way to control their output, so there isn’t any wayto predict accurately how these sources will contribute. Another issue is that when small scaleprojects are implemented and feed energy back into the grid, current flow can changedirection which may affect the operation of certain types of protective relays. So while it isgood to have a contribution from renewable resources, there is a tradeoff in the predictabilityof operation.2.4 TransformersTransformers are an essential part of the electrical distribution system, as discussedearlier. Generation is generally done at voltage levels between 13.8 kV and 24 kV.Consumption of this electricity is generally done at voltage levels between 110 V in homesand up to 4160 V in large industrial plants. Transmission of electricity can occur at levels of115 kV to 765 kV in the United States, and go as high as 1 megavolt in other parts of theworld. Transformers are what make this wide range of voltage level capabilities possible.Without transformers and the ability to vary voltage levels, it would be much less efficient totransmit power over great distances.Transformers operate based on Faraday’s law of induction. Faraday’s law states that ifmagnetic flux passes through a coiled conductor it will induce a voltage in that conductor thatis directly proportional to the derivative of that flux and the number of turns in the conductorcoil. In a transformer, a flux is induced by a primary coil that is wrapped around aferromagnetic core. The ferromagnetic core is used to give a path to the flux that has a highpermeability. There is then a secondary coil which is wrapped around the same ferromagnetic16core which has a voltage induced on it by the flux traveling through the core. The amount offlux is dependent upon the voltage and number of turns on the primary coil, and the voltageon the secondary coil is determined by the flux and the number of turns in the coil. Becausethe number of turns directly determines the ratio of the primary voltage to the secondaryvoltage, this ratio is commonly referred to as the turns ratio.In an ideal world, a transformer would take a voltage from one level to another withoutany type of losses, but this isn’t the case. Transformer losses include copper losses, eddycurrent losses, hysteresis losses, and leakage flux. Copper losses are due to the resistanceassociated with the coil of wire itself and are proportional to the square of the current flowingthrough the coils of the transformer. Eddy currents are losses from unwanted currents inducedon the core of the transformer and are proportional to the square of the voltage across theterminals of the transformer. Hysteresis losses are due to the rearrangement of magneticdomains in the core and are a function of the voltage applied to the transformer. Copper, eddycurrent, and hysteresis losses are all consumers of real power and are modeled as resistances.Leakage flux is simply flux that is not captured by the core and is passed to the other coil inthe transformer. It is a function of the current flowing through the coils. Leakage fluxes areconsumers of reactive power and are modeled as inductive impedances. These losses,however, are small in comparison to the losses that would occur in transmission iftransformers were not available.2.5 Adaptive Protection SchemesAdaptive protection schemes are the result of the application of microprocessors in thearea of protective relays and are growing in importance in the electrical power systems in theUnited States and worldwide. These schemes may have complicated implementations as faras programming, but their concepts can be explained fairly easily. Many of these concepts aresimply expansions on previous protection applications. Several of these concepts will beexplored, including previous system events that could have been mediated with the help ofthese new concepts.2.6 Differential ProtectionDifferential protection schemes are set up simply to check for any difference between17two quantities at a given instance. Limitations on time synchronization made thisimplementation only reasonable for equipment protection and difficult for other applicationsuntil the recent advent of GPS signals. On the other hand, for signals collected from distantpoints into a system, the burden of communication made the implementation of differentialprotection difficult or unattainable. While this type of protection could be useful in detectinga difference in current from one substation to the next, historically its application required thetwo measurements to be taken very close to one another because of the constraints oncommunication. So the scheme was limited generally to transformer and generator protection.Before microprocessor-based systems and IEDs the nature of these two types of protectionwere limited by several issues, specifically mismatches in current transducers.Percentage differential protection of transformers finds the difference between twocurrent levels that should be close to equal. This is done by putting the output of two currenttransducers in parallel with a relay that detects current flow. With the proper connection ofpolarities of the CTs, if both the secondary currents are equal, no current will flow throughthe relay. Issues with this include the previously stated mismatch due to CT limitations, aswell as CT error mismatches, transformer’s magnetizing currents, and tap changing elementswhich will change the effective ratio of the transformer itself. These problems are alleviatedby establishing a restraint current. The restraint current is simply the average of the secondarycurrents. The relay operates when the current that it sees exceeds a certain percentage of therestraint current. The smaller the percentage required, the higher the sensitivity of the relay.Additionally, magnetizing current can cause errors during energization and fault removal,and its harmonic content can cause issues as well. The magnetizing inrush current is causedwhen an unloaded transformer is brought online and needs to gain the flux necessary forsteady state operation to occur. This can also happen when a fault is cleared and the currentchanges significantly. On top of magnetizing current, transformer over-excitation can alsobecome a problem. The saturation during these times can cause the differential relay to reactunnecessarily. Lastly, if there is a fault outside of the transformer it is possible that the CTswill saturate at different current levels. If the difference between these saturation levels islarge, the differential relay will operate unnecessarily for a fault that is not within the18transformer.Computer based relays can offer solutions to all of these issues to significantly increasethe accuracy of operation for a percentage differential protection scheme. The main errorcaused by mismatched ratios is quickly mediated by the fact that a computer can take theoutput from any CT and scale it according to the turns ratio necessary for the secondarycurrents to match up. In fact, the CTs do not even need to have secondary currents that areclose to each other, but simply take the current low enough for an analog to digital conversionto be given to the computer. CTs can then be chosen based on their accuracy as well as theirsaturation limits in order to prevent some of the other issues discussed.The computer itself can be given inputs on different phenomena going on to preventunnecessary operation. For example, if the transformer is being brought online the computercan be set to recognize and ignore the issues brought about by the inrush currents. In the caseof a transformer with tap changing occurring, the relay could be set up to allow for any inrushcurrents expected as well as change the necessary ratios on the CTs. With certaincommunication parameters, it could even be possible for a computer based differential relayto recognize when faults outside of the transformer will affect operation of the relay. In thefield of communication, there are many opportunities to improve protection schemes.