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Fault Location Estimation in Power Systems with Universal Intelligent Tuning

Kawady, Tamer Amin Said :
Fault Location Estimation in Power Systems with Universal Intelligent Tuning.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2005)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Fault Location Estimation in Power Systems with Universal Intelligent Tuning
Language: English
Abstract:

The general aim of this thesis is to develop an accurate fault location scheme that can solve the practical problems affecting the accuracy of the existing conventional fault locators. Firstly, a thorough investigation of the performance of the well known fault location methods was performed aiming to visualize the basic characteristics of the fault location estimation procedure. As can be seen from this study, the mutual coupling among the adjacent conductors is a serious problem. Thus, it represents a serious problem affecting the accuracy of all protection equipment. Also, the effects of high impedance faults on the accuracy of all fault locators with both single and double terminal methods were emphasized. Both problems represent the basic challenges that can remarkably affect the performance of all existing fault locators. In order to eliminate the effects of both mutual coupling and fault resistance existence, a new fault location algorithm was introduced employing the modal transformation in conjunction with the apparent impedance approach. The main point of modal transformation is to transform a group of coupled equations into decoupled ones resulting in diagonalized equation matrices. In the third part, AI-based tuning was established to adapt the overall performance of the modal transformation-based algorithm to compensate the total errors that can not be eliminated conventionally. In order to realize the optimal AI tool, both ANN and FL systems were examined to perform the required mapping. With its powerful toolbox for ANN and FL systems, MATLAB was selected as the platform for developing all tuning tools. As revealed from the tests of all developed tuners, FL and ANN are considered as powerful tools for nonlinear mapping and function approximation. However, FL-based tuner has a faster training speed as well as a better accuracy from the protection viewpoint. Finally, the overall FL-based fault location tuner was introduced, which provides a complete coverage of all fault cases even those cases with high resistance values up to 1000 Ohm. The overall scheme, comprising from the modal transformation-based algorithm in conjunction with the FL-based universal tuner, was subjected to a variety of advanced test cases to evaluate its performance. These test cases included the existence of the non-linear arcs, multiple-loading (infeed) intermediate busses between the sending and the receiving ends, different ground means and partially coupled lines. In general, the proposed scheme presents a precise fault location algorithm suitable for both single and multi-circuit lines covering all fault types including permanent and transient fault cases for a wide range of the added fault resistance.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Fehlerortungssysteme dienen dazu, bei Auftreten eines Kurzschlusses auf einer Freileitung, die Fehlerstelle möglichst genau zu bestimmen. Damit wird es möglich, Reparaturarbeiten zur Wiederinstandsetzung der Leitung unmittelbar einzuleiten, um die Leitung wieder in Betrieb zu nehmen. Die vorliegende Arbeit wurde in drei Schritten durchgeführt. Zum Beginn wurde eine gründliche Analyse der Leistungsfähigkeit der aus der Literatur bekannten Fehlerortungsmethoden durchgeführt. Es wurden weiterhin mit Hilfe des Programmsystems EMTP-ATP Testreihen entwickelt, die eine Beurteilung der verschiedenen Methoden erlaubte. Dazu wurden Netzmodelle aufgestellt, die es ermöglichten die Parameter, die die größten Einflüsse auf die Ungenauigkeit der Fehlerortung haben, in weiten Bereichen zu variieren. Bei diesen vergleichenden Untersuchungen wurde herausgefunden, dass einige Methoden, die mit den Daten eines Leitungsendes auskommen, durchaus akzeptable Ergebnisse liefern. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass die größten Einflüsse auf die Genauigkeit zur Fehlerortbestimmung von den gegenseitigen Kopplungen der Leitungen und den unbekannten Fehlerwiderständen, z.B. durch den Lichtbogen, ausgehen. Diese beiden Einflussgrößen soweit möglich zu eliminieren oder zu kompensieren bildete die Aufgabenstellung für das weitere Vorgehen. Im zweiten Schritt wurde ein Algorithmus zur Fehlerortbestimmung entwickelt, der darauf basiert, das die Leitungsdaten einer Transformation unterzogen werden, die es erlaubt auf entkoppelte Moden zurückzugreifen. Das Prinzip der modalen Transformation ist die Umwandlung einer voll besetzten Matrix in eine Diagonalform. Alle angewandten Tests zeigten, dass der neu entwickelte Algorithmus eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Fehlerentfernung aufweist. Dabei wurden unterschiedliche Fehlersituationen betrachtet. Im dritten Schritt wurde eine auf AI-Methoden basierende Optimierung eingeführt, um die Leistung des modalen transformationsbasierten Algorithmus weiter zu verbessern. Es wurden dazu die Tools ANN (Artificial Neural Networks) und FL (Fuzzy Logic) vom Programmsystem MATLAB eingesetzt um eine weitere Verminderung der Ungenauigkeiten bei der Fehlerortbestimmung zu erreichen. Dabei hat sich gezeigt, dass FL-Methoden zu besseren und schnelleren Ergebnissen führen als ANN-Methoden. Es konnten praktisch alle Fehlerfälle, selbst mit hohen Lichtbogenwiderständen, mit hoher Genauigkeit identifiziert und die Fehlerentfernung bestimmt werden. Alle Tests wurden an unterschiedlichen Leitungsanordnungen und unterschiedlichen Belastungsfällen durchgeführt. Die vorliegende Arbeit liefert damit ein neues Instrument zum Schutz und der Fehlerortbestimmung in Hochspannungsnetzen. Die Kombination eines auf der Modaltransformation und einem Scheinwiderstand basierenden Algorithmus mit Fuzzy Logic Instrumenten zur Feinabstimmung liefert ein Fehlerortungssystem, das bei komplizierten Fällen von Kurzschlüssen auf Leitungen sehr genaue Ergebnisse liefert. Die vielen unterschiedlichen Testfälle haben gezeigt, dass die Einflussparameter in weiten Bereichen variiert werden können ohne dass es zu unzulässig hohen Ungenauigkeiten bei der Fehlerortbestimmung kommt.German
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:50
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000537
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-5375
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Stenzel, Prof. Dr.- Jürgen and Lobos, Prof. dr. Tadeusz
Advisors: Stenzel, Prof. Dr.- Jürgen
Refereed: 4 February 2005
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/537
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