Menetelmä sähköverkon nopeaan vikatilanteen havaitsemiseen UPS-laitteessa
Tolvanen, Jesse (2020)
Diplomityö
Tolvanen, Jesse
2020
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020100176347
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020100176347
Tiivistelmä
Tietoyhteiskunnan toimivuus vaatii luotettavaa sähkönsiirtoa kriittiselle infrastruktuurille. Sähköverkon toimintavarmuus ei kuitenkaan ole koskaan täysin taattu, joten kriittisiä kuormia voidaan suojata katkeamattoman tehonsyötön UPS-laitteilla, jotka pyrkivät estämään verkon häiriöiden vaikutuksien kytkeytymisen kuormaan.
UPS-laitteet havainnoivat sähköverkon tilaa jatkuvasti, jotta ne voivat kytkeytyä vikaantuneesta verkosta irti riittävän nopeasti. Vian alkamishetken ja irtikytkeytymisen välistä aikaa pyritään minimoimaan adaptiivisilla algoritmeilla.
Tässä tutkimuksessa kehitettiin menetelmä UPS-laitteen nopeaan vian havaitsemiseen sähköverkosta. Tutkimuksessa selvitettiin sähkönlaadun standardien pohjalta reunaehdot, joissa UPS-laitteen algoritmin voidaan odottaa toimivan. Kirjallisuudesta tutkittiin olemassaolevia vian havaitsemiseen soveltuvia algoritmeja, joista työssä käytettäväksi valittiin laajennettu Kalman-suodatin.
Simulink-ympäristöön rakennettiin järjestelmä, jonka avulla algoritmia voitiin kehittää ja säätää toimimaan standardien asettamien rajojen puitteissa. Systeemin vastetta testattiin sekä simuloiduilla kuormilla, että oikeasta sähköverkosta tallennetuilla käyrämuodoilla. Verkossa esiintyvien harmonisten yliaaltojännitteiden, sekä muiden häiriöiden määrän vaikuttaessa Kalman-suodattimen herkkyyteen, systeemi kykeni havaitsemaan yksi-, kaksi ja kolmivaiheiset jännitekuopat ja syöttökatkot riittävän nopeasti.
Kehitetyn menetelmän laitteistovaatimuksia tutkittiin analysoimalla systeemin vaatimaa laskentatehoa sekä muistinkulutusta digitaalisilla signaaliprosessoreilla. Tulosta verrattiin Texas Instrumentsin C2000-sarjan prosessoriin, jonka suorituskyky todettiin riittäväksi algoritmin suorittamiseen reaaliajassa. The critical infrastructure of today’s world needs a reliable supply of electricity. However, the electrical grid is known to be vulnerable to all kinds of problems such as weather phenomenons and device malfunctions. For securing supply of electricity for critical loads there are uniterruptible power supplies.
UPS-device monitor the state of electrical supply constantly. If it notices the grid failure, it disconnects from the grid and start supplying the load from it’s internal power source such as a battery. For the UPS to be effective the time between the grid failing and UPS starting to supply the load must be minimized.
This thesis presents a method for a rapid fault detection in uninterruptible power supplies. The method and algorithms are based on study of standards and the boundary conditions they present for the quality of electricity. The literature was studied for existent methods for the fault detection. A method of extended Kalman-filter was chosen for this thesis.
A system model containing the electrical grid, load, UPS inverter and the transfer switch were built in Simulink. The model was used for developing and tuning the algorithm for this specific application. The system was tested using simulated loads and faults as well as voltage waveforms captured from a real grid. The system was able to detect all the faults quickly enough.
Analysis of the requirements of the modeled system was also performed. The system performance was compared against a Texas Instruments C2000-series digital signal processor which was found to be powerful enough for the real-time execution of the algorithm.
UPS-laitteet havainnoivat sähköverkon tilaa jatkuvasti, jotta ne voivat kytkeytyä vikaantuneesta verkosta irti riittävän nopeasti. Vian alkamishetken ja irtikytkeytymisen välistä aikaa pyritään minimoimaan adaptiivisilla algoritmeilla.
Tässä tutkimuksessa kehitettiin menetelmä UPS-laitteen nopeaan vian havaitsemiseen sähköverkosta. Tutkimuksessa selvitettiin sähkönlaadun standardien pohjalta reunaehdot, joissa UPS-laitteen algoritmin voidaan odottaa toimivan. Kirjallisuudesta tutkittiin olemassaolevia vian havaitsemiseen soveltuvia algoritmeja, joista työssä käytettäväksi valittiin laajennettu Kalman-suodatin.
Simulink-ympäristöön rakennettiin järjestelmä, jonka avulla algoritmia voitiin kehittää ja säätää toimimaan standardien asettamien rajojen puitteissa. Systeemin vastetta testattiin sekä simuloiduilla kuormilla, että oikeasta sähköverkosta tallennetuilla käyrämuodoilla. Verkossa esiintyvien harmonisten yliaaltojännitteiden, sekä muiden häiriöiden määrän vaikuttaessa Kalman-suodattimen herkkyyteen, systeemi kykeni havaitsemaan yksi-, kaksi ja kolmivaiheiset jännitekuopat ja syöttökatkot riittävän nopeasti.
Kehitetyn menetelmän laitteistovaatimuksia tutkittiin analysoimalla systeemin vaatimaa laskentatehoa sekä muistinkulutusta digitaalisilla signaaliprosessoreilla. Tulosta verrattiin Texas Instrumentsin C2000-sarjan prosessoriin, jonka suorituskyky todettiin riittäväksi algoritmin suorittamiseen reaaliajassa.
UPS-device monitor the state of electrical supply constantly. If it notices the grid failure, it disconnects from the grid and start supplying the load from it’s internal power source such as a battery. For the UPS to be effective the time between the grid failing and UPS starting to supply the load must be minimized.
This thesis presents a method for a rapid fault detection in uninterruptible power supplies. The method and algorithms are based on study of standards and the boundary conditions they present for the quality of electricity. The literature was studied for existent methods for the fault detection. A method of extended Kalman-filter was chosen for this thesis.
A system model containing the electrical grid, load, UPS inverter and the transfer switch were built in Simulink. The model was used for developing and tuning the algorithm for this specific application. The system was tested using simulated loads and faults as well as voltage waveforms captured from a real grid. The system was able to detect all the faults quickly enough.
Analysis of the requirements of the modeled system was also performed. The system performance was compared against a Texas Instruments C2000-series digital signal processor which was found to be powerful enough for the real-time execution of the algorithm.