Design and development of an overcurrent protection relay

Abstract

Electrical power systems are frequently vulnerable to different types of fault, which, if not handled rapidly, can end up damaging expensive equipment and in the worst case, even cause harm to someone. Some fault types, which can be problematic for power systems, are e.g. overvoltage, overcurrent, and undervoltage. The overcurrent situation is typically more difficult to manage since the fault needs to be detected and circuit breakers need to be opened immediately after the occurrence of the fault in order to prevent equipment damage. Overcurrent protection relays are used for this purpose. In this thesis, the firmware development and simulation for a three-phase digital directional overcurrent relay are presented. The designed overcurrent relay meets the requirements for American National Standards Institute (ANSI) codes 27, 49, 50/51, 50N/51N, 59, 67, and 67N. This research work covers all the designs and simulation work for the firmware development of the overcurrent protection relay. Additionally, it also covers a novel design of coordination automation of directional overcurrent protection relays, which is simulated and demonstrated on an IEEE 9 Bus System designed on MATLAB-Simulink. The results and findings show proper coordination between the relays.

Elektrik güç sistemleri, hızlı bir şekilde ele alınmazsa, pahalı ekipmana zarar verebilecek ve en kötü durumda birine bile zarar verebilecek farklı arıza türlerine karşı sıklıkla savunmasızdır. Güç sistemleri için sorun yaratabilecek bazı arıza türleri örn. aşırı gerilim, aşırı akım ve düşük gerilim. Aşırı akım durumunun yönetilmesi tipik olarak daha zordur çünkü arızanın tespit edilmesi ve ekipman hasarını önlemek için arıza meydana geldikten hemen sonra devre kesicilerin açılması gerekir. Bunun için aşırı akım koruma röleleri kullanılmaktadır. Bu yazıda, üç fazlı bir dijital yönlü aşırı akım rölesi için yazılım geliştirme ve simülasyon sunulmaktadır. Tasarlanan aşırı akım rölesi, Amerikan Ulusal Standartlar Enstitüsü (ANSI) 27, 49, 50/51, 50N/51N, 59, 67 ve 67N kodlarının gereksinimlerini karşılar. Bu araştırma çalışması, aşırı akım koruma rölesinin yazılım geliştirmesi için tüm tasarımları ve simülasyon çalışmalarını kapsamaktadır. Ek olarak, bu araştırma çalışması, MATLAB-Simulink üzerinde tasarlanmış bir IEEE 9 Bus Sisteminde simüle edilen ve gösterilen yönlü aşırı akım koruma rölelerinin koordinasyon otomasyonunun yeni bir tasarımını da kapsar. Sonuçlar ve bulgular, röleler arasında uygun koordinasyonu göstermektedir.