Power quality and electromagnetic compatibility: special report, session 2

The scope of Session 2 (S2) has been defined as follows by the Session Advisory Group and the Technical Committee: Power Quality (PQ), with the more general concept of electromagnetic compatibility (EMC) and with some related safety problems in electricity distribution systems. Special focus is put on voltage continuity (supply reliability, problem of outages) and voltage quality (voltage level, flicker, unbalance, harmonics). This session will also look at electromagnetic compatibility (mains frequency to 150 kHz), electromagnetic interferences and electric and magnetic fields issues. Also addressed in this session are electrical safety and immunity concerns (lightning issues, step, touch and transferred voltages). The aim of this special report is to present a synthesis of the present concerns in PQ&EMC, based on all selected papers of session 2 and related papers from other sessions, (152 papers in total). The report is divided in the following 4 blocks: Block 1: Electric and Magnetic Fields, EMC, Earthing systems Block 2: Harmonics Block 3: Voltage Variation Block 4: Power Quality Monitoring Two Round Tables will be organised: - Power quality and EMC in the Future Grid (CIGRE/CIRED WG C4.24, RT 13) - Reliability Benchmarking - why we should do it? What should be done in future? (RT 15

A novel assessment of unintentional islanding operations in distribution networks

This thesis aims to investigate an unexpected islanding operation (IO) which has been identified in a real distribution network. The process of recording and processing the data obtained from the field measurements in the distribution network (DN) has been the starting point of this research. It has to be underlined that this IO raised a problem and became a major challenge for the distribution operator. Therefore, the aim of this thesis is twofold; solving a real problem as well as further enhance the current research studies about IOs in DNs. IOs have been object of study during the recent years due to the rapid proliferation of the distributed generation (DG) within the so-called smart grids (SGs). Commonly, the power of these DG resources ranges between hundreds of kW and few MW and are allocated at either low voltage or medium voltage levels. One of the significant issues that these resources are raising is, undoubtedly, the IOs. These situations occur when a portion of the grid operates in parallel with the main grid following a disconnection. Thereby IOs, where the DG is energising the grid after a CB opening, must be identified and tripped in the minimum time possible. Failure to do so, the list of hurdles may include; power quality (PQ) disturbances (e.g., frequency and voltage out of range), a safety hazard for the network personnel or out-of-phase reclosings. That is the reason why the research towards the anti-islanding protection methods has elicited great interest. Fundamentally, the substantial improvement of this thesis lies in the fact that, in this IO, there are no DG resources, but large induction motors. In fact, the grid remains energised after the CB disconnection due to the induction motors (IMs) which transiently, act as generators. The island begins with the CB operation and ends when the CB recloses the circuit to restore the electrical supply. This rapid reclosing operation is widely adopted in DNs to avoid manual operations in self-extinguished faults and typically ranges between 0.5 and 1s. Given the fact that usually IOs are originated in the presence of DG, indeed, this IO is utterly unexpectedly for the DSO. Due to the phenomenon mentioned above, the specific goals of this thesis are described down below: 1. The first goal of this thesis focuses on developing a model suitable for validation purposes. To make a proper model validation, the simulations results obtained with this model will be compared with those obtained from field measurements. Thus, once the model has been validated, a thorough investigation regarding the most influential factors will be carried out. 2. The second goal of this thesis falls within the scope of the PQ. During the IO mentioned above, a new voltage sag topology is observed. Consequently, the efforts will be focused on modelling this new type of sag. 3. The third goal of this thesis emerges from the protective point of view. Once the IO has been defined and characterised, the need for identifying and preventing it becomes the main concern. In such a way, the third pillar of the thesis is targeted at implementing a suitable tool to prevent this particular IO. Besides, this new tool will be compared with the currently available methods for ID developed for scenarios with DG.Aquesta tesi te com a objectiu investigar una operació en illa no intencional, que ha set identificada en una xarxa de distribució real. El procés de registre i processament de les dades obtingudes a partir de les mesures de camp en la xarxa de distribució, ha estat el punt de partida d’aquesta investigació. Cal subratllar que aquesta operació en illa va plantejar un problema i es va convertir en un repte important per l’operador de distribució. Per tant, l'objectiu d'aquesta tesi és doble; resoldre un problema real, així com millorar els estudis de recerca actuals sobre les illes no intencionals en xarxes de distribució elèctrica. El fenomen de les illes dins una xarxa elèctrica, han estat objecte d’estudi durant els darrers anys a causa de la ràpida proliferació de la generació distribuïda. Habitualment, la potència d’aquests recursos distribuïts oscil·la entre centenars de kW i pocs MW i s’assignen a nivells de baixa tensió o mitja tensió. Una de les qüestions importants que plantegen aquests recursos és, sens dubte, les illes. Aquestes situacions es produeixen quan una part de la xarxa elèctrica funciona en paral·lel amb la xarxa principal després d’una desconnexió. Per això, les illes no intencionals es donen quan la generació distribuïda energitza la xarxa després de la obertura d’un interruptor. Principalment, l’objectiu es identificar aquesta situació i desconnectar dites fonts en el mínim temps possible. En el cas de que això no succeeixi, els següents disturbis poden produir-se; pertorbacions de la qualitat de potència (PQ) (per exemple, freqüència i tensió fora del rang), un perill per a la seguretat del personal de la xarxa o bé reconnexions fora de fase. Aquesta és la raó per la qual la investigació vers els mètodes de protecció “anti-islanding” han despertat un gran interès. Essencialment, la millora substancial d’aquesta tesi rau en el fet que, en aquesta illa, no hi ha recursos energètics distribuïts, sinó grans motors d’inducció. Així, la xarxa elèctrica continua energitzada després de la desconnexió del interruptor a causa dels motors d’inducció, que actuen de forma transitòria com a generadors. L’illa comença amb l’obertura del interruptor i finalitza quan aquest tanca el circuit per restablir el subministrament elèctric. Aquesta operació de reconnexió ràpid es freqüent en xarxes de distribució per evitar operacions manuals en faltes temporals i generalment oscil·la entre 0,5 i 1s. Tenint en compte que generalment les illes tenen l'origen en presència de generació distribuïda , realment, la illa elèctrica objecte d’aquesta tesi és inesperada per l’operador de distribució. A causa del fenomen esmentat anteriorment, els objectius específics d'aquesta tesi es descriuen a continuació: 1. El primer objectiu d'aquesta tesi se centra a desenvolupar un model adequat per la validació. Per fer una validació adequada del model, es compararan els resultats de les simulacions obtinguts amb aquest model amb els obtinguts de les mesures de camp. Així, un cop validat el model, es durà a terme una investigació completa sobre els factors més influents. 2. El segon objectiu d'aquesta tesi entra dins de l'àmbit d'aplicació del PQ. Durant l’esmentada illa, s’observa una nova topologia de forat de tensió. En conseqüència, els esforços se centraran en modelar aquest nou tipus de forat. 3. El tercer objectiu d'aquesta tesi s’emmarca en el punt de vista de proteccions. Un cop definida i caracteritzada l’illa, la necessitat d’identificar-la i prevenir-la esdevé la principal preocupació. D’aquesta manera, el tercer pilar de la tesi té com a objectiu la implementació d’una eina adequada per prevenir aquesta particular illa. A més, es compararà aquesta nova eina amb els actuals mètodes utilitzats per a identificar les illes en escenaris amb generació distribuïda.Postprint (published version

A novel assessment of unintentional islanding operations in distribution networks

This thesis aims to investigate an unexpected islanding operation (IO) which has been identified in a real distribution network. The process of recording and processing the data obtained from the field measurements in the distribution network (DN) has been the starting point of this research. It has to be underlined that this IO raised a problem and became a major challenge for the distribution operator. Therefore, the aim of this thesis is twofold; solving a real problem as well as further enhance the current research studies about IOs in DNs. IOs have been object of study during the recent years due to the rapid proliferation of the distributed generation (DG) within the so-called smart grids (SGs). Commonly, the power of these DG resources ranges between hundreds of kW and few MW and are allocated at either low voltage or medium voltage levels. One of the significant issues that these resources are raising is, undoubtedly, the IOs. These situations occur when a portion of the grid operates in parallel with the main grid following a disconnection. Thereby IOs, where the DG is energising the grid after a CB opening, must be identified and tripped in the minimum time possible. Failure to do so, the list of hurdles may include; power quality (PQ) disturbances (e.g., frequency and voltage out of range), a safety hazard for the network personnel or out-of-phase reclosings. That is the reason why the research towards the anti-islanding protection methods has elicited great interest. Fundamentally, the substantial improvement of this thesis lies in the fact that, in this IO, there are no DG resources, but large induction motors. In fact, the grid remains energised after the CB disconnection due to the induction motors (IMs) which transiently, act as generators. The island begins with the CB operation and ends when the CB recloses the circuit to restore the electrical supply. This rapid reclosing operation is widely adopted in DNs to avoid manual operations in self-extinguished faults and typically ranges between 0.5 and 1s. Given the fact that usually IOs are originated in the presence of DG, indeed, this IO is utterly unexpectedly for the DSO. Due to the phenomenon mentioned above, the specific goals of this thesis are described down below: 1. The first goal of this thesis focuses on developing a model suitable for validation purposes. To make a proper model validation, the simulations results obtained with this model will be compared with those obtained from field measurements. Thus, once the model has been validated, a thorough investigation regarding the most influential factors will be carried out. 2. The second goal of this thesis falls within the scope of the PQ. During the IO mentioned above, a new voltage sag topology is observed. Consequently, the efforts will be focused on modelling this new type of sag. 3. The third goal of this thesis emerges from the protective point of view. Once the IO has been defined and characterised, the need for identifying and preventing it becomes the main concern. In such a way, the third pillar of the thesis is targeted at implementing a suitable tool to prevent this particular IO. Besides, this new tool will be compared with the currently available methods for ID developed for scenarios with DG.Aquesta tesi te com a objectiu investigar una operació en illa no intencional, que ha set identificada en una xarxa de distribució real. El procés de registre i processament de les dades obtingudes a partir de les mesures de camp en la xarxa de distribució, ha estat el punt de partida d’aquesta investigació. Cal subratllar que aquesta operació en illa va plantejar un problema i es va convertir en un repte important per l’operador de distribució. Per tant, l'objectiu d'aquesta tesi és doble; resoldre un problema real, així com millorar els estudis de recerca actuals sobre les illes no intencionals en xarxes de distribució elèctrica. El fenomen de les illes dins una xarxa elèctrica, han estat objecte d’estudi durant els darrers anys a causa de la ràpida proliferació de la generació distribuïda. Habitualment, la potència d’aquests recursos distribuïts oscil·la entre centenars de kW i pocs MW i s’assignen a nivells de baixa tensió o mitja tensió. Una de les qüestions importants que plantegen aquests recursos és, sens dubte, les illes. Aquestes situacions es produeixen quan una part de la xarxa elèctrica funciona en paral·lel amb la xarxa principal després d’una desconnexió. Per això, les illes no intencionals es donen quan la generació distribuïda energitza la xarxa després de la obertura d’un interruptor. Principalment, l’objectiu es identificar aquesta situació i desconnectar dites fonts en el mínim temps possible. En el cas de que això no succeeixi, els següents disturbis poden produir-se; pertorbacions de la qualitat de potència (PQ) (per exemple, freqüència i tensió fora del rang), un perill per a la seguretat del personal de la xarxa o bé reconnexions fora de fase. Aquesta és la raó per la qual la investigació vers els mètodes de protecció “anti-islanding” han despertat un gran interès. Essencialment, la millora substancial d’aquesta tesi rau en el fet que, en aquesta illa, no hi ha recursos energètics distribuïts, sinó grans motors d’inducció. Així, la xarxa elèctrica continua energitzada després de la desconnexió del interruptor a causa dels motors d’inducció, que actuen de forma transitòria com a generadors. L’illa comença amb l’obertura del interruptor i finalitza quan aquest tanca el circuit per restablir el subministrament elèctric. Aquesta operació de reconnexió ràpid es freqüent en xarxes de distribució per evitar operacions manuals en faltes temporals i generalment oscil·la entre 0,5 i 1s. Tenint en compte que generalment les illes tenen l'origen en presència de generació distribuïda , realment, la illa elèctrica objecte d’aquesta tesi és inesperada per l’operador de distribució. A causa del fenomen esmentat anteriorment, els objectius específics d'aquesta tesi es descriuen a continuació: 1. El primer objectiu d'aquesta tesi se centra a desenvolupar un model adequat per la validació. Per fer una validació adequada del model, es compararan els resultats de les simulacions obtinguts amb aquest model amb els obtinguts de les mesures de camp. Així, un cop validat el model, es durà a terme una investigació completa sobre els factors més influents. 2. El segon objectiu d'aquesta tesi entra dins de l'àmbit d'aplicació del PQ. Durant l’esmentada illa, s’observa una nova topologia de forat de tensió. En conseqüència, els esforços se centraran en modelar aquest nou tipus de forat. 3. El tercer objectiu d'aquesta tesi s’emmarca en el punt de vista de proteccions. Un cop definida i caracteritzada l’illa, la necessitat d’identificar-la i prevenir-la esdevé la principal preocupació. D’aquesta manera, el tercer pilar de la tesi té com a objectiu la implementació d’una eina adequada per prevenir aquesta particular illa. A més, es compararà aquesta nova eina amb els actuals mètodes utilitzats per a identificar les illes en escenaris amb generació distribuïda

A novel assessment of unintentional islanding operations in distribution networks

This thesis aims to investigate an unexpected islanding operation (IO) which has been identified in a real distribution network. The process of recording and processing the data obtained from the field measurements in the distribution network (DN) has been the starting point of this research. It has to be underlined that this IO raised a problem and became a major challenge for the distribution operator. Therefore, the aim of this thesis is twofold; solving a real problem as well as further enhance the current research studies about IOs in DNs. IOs have been object of study during the recent years due to the rapid proliferation of the distributed generation (DG) within the so-called smart grids (SGs). Commonly, the power of these DG resources ranges between hundreds of kW and few MW and are allocated at either low voltage or medium voltage levels. One of the significant issues that these resources are raising is, undoubtedly, the IOs. These situations occur when a portion of the grid operates in parallel with the main grid following a disconnection. Thereby IOs, where the DG is energising the grid after a CB opening, must be identified and tripped in the minimum time possible. Failure to do so, the list of hurdles may include; power quality (PQ) disturbances (e.g., frequency and voltage out of range), a safety hazard for the network personnel or out-of-phase reclosings. That is the reason why the research towards the anti-islanding protection methods has elicited great interest. Fundamentally, the substantial improvement of this thesis lies in the fact that, in this IO, there are no DG resources, but large induction motors. In fact, the grid remains energised after the CB disconnection due to the induction motors (IMs) which transiently, act as generators. The island begins with the CB operation and ends when the CB recloses the circuit to restore the electrical supply. This rapid reclosing operation is widely adopted in DNs to avoid manual operations in self-extinguished faults and typically ranges between 0.5 and 1s. Given the fact that usually IOs are originated in the presence of DG, indeed, this IO is utterly unexpectedly for the DSO. Due to the phenomenon mentioned above, the specific goals of this thesis are described down below: 1. The first goal of this thesis focuses on developing a model suitable for validation purposes. To make a proper model validation, the simulations results obtained with this model will be compared with those obtained from field measurements. Thus, once the model has been validated, a thorough investigation regarding the most influential factors will be carried out. 2. The second goal of this thesis falls within the scope of the PQ. During the IO mentioned above, a new voltage sag topology is observed. Consequently, the efforts will be focused on modelling this new type of sag. 3. The third goal of this thesis emerges from the protective point of view. Once the IO has been defined and characterised, the need for identifying and preventing it becomes the main concern. In such a way, the third pillar of the thesis is targeted at implementing a suitable tool to prevent this particular IO. Besides, this new tool will be compared with the currently available methods for ID developed for scenarios with DG.Aquesta tesi te com a objectiu investigar una operació en illa no intencional, que ha set identificada en una xarxa de distribució real. El procés de registre i processament de les dades obtingudes a partir de les mesures de camp en la xarxa de distribució, ha estat el punt de partida d’aquesta investigació. Cal subratllar que aquesta operació en illa va plantejar un problema i es va convertir en un repte important per l’operador de distribució. Per tant, l'objectiu d'aquesta tesi és doble; resoldre un problema real, així com millorar els estudis de recerca actuals sobre les illes no intencionals en xarxes de distribució elèctrica. El fenomen de les illes dins una xarxa elèctrica, han estat objecte d’estudi durant els darrers anys a causa de la ràpida proliferació de la generació distribuïda. Habitualment, la potència d’aquests recursos distribuïts oscil·la entre centenars de kW i pocs MW i s’assignen a nivells de baixa tensió o mitja tensió. Una de les qüestions importants que plantegen aquests recursos és, sens dubte, les illes. Aquestes situacions es produeixen quan una part de la xarxa elèctrica funciona en paral·lel amb la xarxa principal després d’una desconnexió. Per això, les illes no intencionals es donen quan la generació distribuïda energitza la xarxa després de la obertura d’un interruptor. Principalment, l’objectiu es identificar aquesta situació i desconnectar dites fonts en el mínim temps possible. En el cas de que això no succeeixi, els següents disturbis poden produir-se; pertorbacions de la qualitat de potència (PQ) (per exemple, freqüència i tensió fora del rang), un perill per a la seguretat del personal de la xarxa o bé reconnexions fora de fase. Aquesta és la raó per la qual la investigació vers els mètodes de protecció “anti-islanding” han despertat un gran interès. Essencialment, la millora substancial d’aquesta tesi rau en el fet que, en aquesta illa, no hi ha recursos energètics distribuïts, sinó grans motors d’inducció. Així, la xarxa elèctrica continua energitzada després de la desconnexió del interruptor a causa dels motors d’inducció, que actuen de forma transitòria com a generadors. L’illa comença amb l’obertura del interruptor i finalitza quan aquest tanca el circuit per restablir el subministrament elèctric. Aquesta operació de reconnexió ràpid es freqüent en xarxes de distribució per evitar operacions manuals en faltes temporals i generalment oscil·la entre 0,5 i 1s. Tenint en compte que generalment les illes tenen l'origen en presència de generació distribuïda , realment, la illa elèctrica objecte d’aquesta tesi és inesperada per l’operador de distribució. A causa del fenomen esmentat anteriorment, els objectius específics d'aquesta tesi es descriuen a continuació: 1. El primer objectiu d'aquesta tesi se centra a desenvolupar un model adequat per la validació. Per fer una validació adequada del model, es compararan els resultats de les simulacions obtinguts amb aquest model amb els obtinguts de les mesures de camp. Així, un cop validat el model, es durà a terme una investigació completa sobre els factors més influents. 2. El segon objectiu d'aquesta tesi entra dins de l'àmbit d'aplicació del PQ. Durant l’esmentada illa, s’observa una nova topologia de forat de tensió. En conseqüència, els esforços se centraran en modelar aquest nou tipus de forat. 3. El tercer objectiu d'aquesta tesi s’emmarca en el punt de vista de proteccions. Un cop definida i caracteritzada l’illa, la necessitat d’identificar-la i prevenir-la esdevé la principal preocupació. D’aquesta manera, el tercer pilar de la tesi té com a objectiu la implementació d’una eina adequada per prevenir aquesta particular illa. A més, es compararà aquesta nova eina amb els actuals mètodes utilitzats per a identificar les illes en escenaris amb generació distribuïda

Soft Open Point in Distribution Networks

The main objective of this article is to present a comprehensive review of soft open point (SOP), an emerging power electronics technology to maximize future distribution networks’ (DNs) resiliency and flexibility as well as increase hosting capacity for distributed energy resources like photovoltaics and electric vehicles. The SOP is currently an active area of research and ongoing development of new control techniques for SOP and optimization algorithm for the optimal use of SOP in DNs produces new techniques until DN operators use it comprehensively in their systems. The motivation for this work is to present the research that has been completed for the SOP and summarize the duties of SOP in DNs according to the literature and propose advanced duties for SOP according to modern standards. Finally, future research directions are mentioned to pave the way for research in the coming years to drive the DNs towards more flexibility and ‘Robust’ from controllability, stability, and protection structure point of view.© 2020 Authors. This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License. For more information, see https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/fi=vertaisarvioitu|en=peerReviewed

Advances in power quality analysis techniques for electrical machines and drives: a review

The electric machines are the elements most used at an industry level, and they represent the major power consumption of the productive processes. Particularly speaking, among all electric machines, the motors and their drives play a key role since they literally allow the motion interchange in the industrial processes; it could be said that they are the medullar column for moving the rest of the mechanical parts. Hence, their proper operation must be guaranteed in order to raise, as much as possible, their efficiency, and, as consequence, bring out the economic benefits. This review presents a general overview of the reported works that address the efficiency topic in motors and drives and in the power quality of the electric grid. This study speaks about the relationship existing between the motors and drives that induces electric disturbances into the grid, affecting its power quality, and also how these power disturbances present in the electrical network adversely affect, in turn, the motors and drives. In addition, the reported techniques that tackle the detection, classification, and mitigations of power quality disturbances are discussed. Additionally, several works are reviewed in order to present the panorama that show the evolution and advances in the techniques and tendencies in both senses: motors and drives affecting the power source quality and the power quality disturbances affecting the efficiency of motors and drives. A discussion of trends in techniques and future work about power quality analysis from the motors and drives efficiency viewpoint is provided. Finally, some prompts are made about alternative methods that could help in overcome the gaps until now detected in the reported approaches referring to the detection, classification and mitigation of power disturbances with views toward the improvement of the efficiency of motors and drives.Peer ReviewedPostprint (published version