RT23 | Labor Hardware-in-the-Loop-Implementierung einer zentralisierten Schutz- und Steuerungstechnik

Labor Hardware-in-the-Loop-Implementierung einer zentralisierten Schutz- und Steuerungstechnik Durch die Dekarbonisierungsziele steigt der Anteil erneuerbarer dezentraler Erzeugungsanlagen (Distributed Generation, DG) und anderer dezentraler Energiequellen ( Verteilte Energieressourcen , DER) kontinuierlich an, was den Schutz und den Betrieb von Verteilernetzen vor neue Herausforderungen stellt. Angesichts der aktuellen Netzkodevorschriften und der Fähigkeit mittelgroßer DG-Wechselrichter, bei Störungen den Betrieb aufrechtzuerhalten (Fault-Ride-Through, FRT), könnten unerwünschte Inselbetriebssituationen und Probleme bei der Schutzkoordination häufiger auftreten. Daher ist die Aktualisierung von Schutz- und Automatisierungsstrategien wichtig, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Verteilungsnetzes zu gewährleisten. INESC TEC hat im Rahmen des nationalen Projekts SCALE (Skalierbar Centralized Grid Protection, Automation and Control) neue Automatisierungs- und Schutzfunktionen für zukünftige virtuelle Umspannwerke entwickelt und Tests . Das SCALE-Projekt entwickelte und demonstrierte eine Plattform für die digitale Verteilerstation, die die zentrale Steuerung, Überwachung und den Schutz von Mittelspannungsnetzen (MV) ermöglicht. Die Leistungsfähigkeit der virtualisierten Schutz- und fortschrittlichen Automatisierungsanwendungen wurde mit der HIL-Infrastruktur von INESC TEC getestet. Der Testaufbau besteht aus einer „ Hardware-In-the-Loop“-Konfiguration (HIL) auf Basis des OPAL-RT-Systems, in der das Testmodell des Verteilungsnetzes und der Umspannstation entwickelt wurde und das mit der zentralen Schutzeinheit (CPC) verbunden ist [Aleixo et al., „Challenges and Considerations for the Design and Implementation of a Centralized Protection and Control Solution for MV Networks“, CIRED 2023] sowie an herkömmliche IEDs angeschlossen ist. Das OPAL-RT-System ist mit zwei linearen Leistungsverstärkern ausgestattet, und der Aufbau entspricht vollständig der Norm IEC 61850. Er integriert die Nachrichtenkommunikation gemäß IEC 61850-8-1 (Generic Object-Oriented Substation Events, GOOSE) sowie analoge Abtastwerte gemäß IEC 61850/IEC 61869-9 (Sampled Values, SV) mit Synchronisation über das Precision Time Protocol (PTP) integriert, wodurch ein Prozessbus-Netzwerk realisiert wird, das reale Situationen nachbilden kann. Sowohl reale als auch simulierte Spannungs- und Strommesswerte sowie Schutz- und Steuersignale wurden gemäß dem Standard IEC 61850 ausgetauscht. Mithilfe des aufgebauten Testbeds wurden fortschrittliche Anwendungen zur automatischen Spannungsregelung auf Umspannwerks-Ebene, adaptive Schutzmaßnahmen für das Mittelspannungsnetz sowie die Identifizierung unbeabsichtigter Inselnetze innerhalb der Mittelspannungszuleitung implementiert. Diese Anwendungen wurden entwickelt und der CPC-Einheit zugewiesen, die über den Prozessbus gemäß IEC 61850 mit den virtuellen CPC-Versionen der Schutz- und Steuerungs-IEDs interagierte, die im simulierten Umspannwerk des Systems implementiert waren. IEDs der „ Kategorie “-Merging-Unit (MU) werden verwendet, um die CPC-Einheit mit den Messpunkten im Umspannwerk (Sammelschienenfeld, Abzweigfelder und Transformatorfelder) zu verbinden. Der realisierte Aufbau hat die Entwicklung und praktische Anwendung fortschrittlicher Funktionen für Verteilungsnetze erheblich gefördert und beschleunigt, indem er die Konzepte der Virtualisierung und Zentralisierung für das Mittelspannungsnetzmanagement innerhalb des Umspannwerks nutzte und dabei die Anforderungen an die Kommunikation gemäß der Norm IEC 61850 erfüllte. Darüber hinaus eröffnet die Integration eines relativ neuen Elements in das Umspannwerkssystem – des CPC, das fortschrittliche Anwendungen für das Netz enthalten kann – vielfältige Möglichkeiten, die im weiteren Verlauf mit neuen Forschungsarbeiten im wichtigen Bereich des Mittelspannungs-Systemschutzes untersucht werden sollen. Der Vortrag bietet einen detaillierteren Überblick über den bei INESC TEC entwickelten Testaufbau, einschließlich der Einschränkungen und Vorteile einer solchen Infrastruktur.