Development and testing of software for evaluation of high voltage composite and combined waveforms
Iisakka, Oskari (2021)
Iisakka, Oskari
2021
Sähkötekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Electrical Engineering
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-11-11
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202110287941
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202110287941
Tiivistelmä
In high voltage systems and electricity transmission networks the operational performance of components should be tested. This is achieved in testing laboratories by stressing the tested components with standardised test voltages. Since there are multiple different types of voltage stresses that can affect network components, combinations of these voltage stresses should also be analysed and used when deemed necessary. These standardised combinations of test voltages are called composite and combined voltages, or generally ‘mixed’ voltages. Need for such testing is especially true in today’s electricity networks with distributed energy resources where more and more power electronics, and new electricity network technologies are used. For a proper evaluation of these ‘mixed’ voltages an evaluation software is needed.
The aim of this thesis is to produce methods for combined and composite voltage evaluation based on the requirements given in standard IEC 60060-1. After producing these methods for test voltages, a software for evaluating combined and composite voltages was to be produced and its uncertainty calculated. The development of the evaluation methods was done by firstly reviewing relevant standards and secondly by reviewing the literature of the field of high voltage measurements. For the test voltages without standardised evaluation methods, new methods were produced to facilitate the calculation of specific test voltage parameters.
The current standard IEC 60060-1 includes direct methods for lightning impulse evaluation, which is one possible component voltage type for ‘mixed’ voltages. Other voltage types have no standardised evaluation methods but the parameters that need to be analysed have been defined. Standard IEC 61083-2 includes standardised uncertainty value calculations and methods which can be referenced for uncertainty evaluations.
Since the thesis project was done for calibration laboratory use the calculation accuracy of the software was of extra importance. To achieve acceptable accuracies many signal processing methods are required. Firstly, switching impulses are evaluated with the same methods that have been standardised for lightning impulses. This means that curve fitting is used to find the ideal impulse after which the differential from the measured is filtered. The filtered division is then added together with the fitted curve after which the pulse parameters can be evaluated. Composite and combined voltage evaluation exploit switching and lightning impulse evaluation methods when needed. The removal of alternating voltage content from composite voltages can be done by using curve fitting algorithms. The DC composite voltage evaluation was added to the developed analysis software as an extension to the evaluation methods defined in standard IEC 60060-1.
Combined voltages with DC voltage components were chosen not to be evaluated. Combined voltage evaluation was chosen to be executed in HV-com2 project based on three separate input files, one with a measurement of the power frequency with at least one full AC cycle, one with a measurement data of the impulse and one with measurement data for AC voltage with the same sampling rate as the impulse was measured. The combined voltage data is measured by combining the impulse data and the AC data with the same sampling rate at which the impulse was measured. Suurjännitejärjestelmiin ja sähköverkoihin kuuluvien komponenttien ja laitteiden toimintavarmuuden ja turvallisuuden tarkistaminen on tärkeää. Laitteiden jännitelujuuden varmistaminen tehdään testauslaboratorioissa standardoiduilla testijännitteillä, joilla tutkitaan jänniterasituksien vaikutuksia sähköverkon komponentteihin. Koska sähköverkoissa komponentteihin voi vaikuttaa samanaikaisesti useanlaisia jänniterasituksia, tulee myös näiden jännitetyyppien erilaisia yhdistelmiä tutkia ja niiden vaikutuksiin varautua. Yhtäaikaisesti vaikuttavia jänniterasituksia tai jänniterasituksien yhdistelmiä esiintyy erityisesti nykyaikaisissa sähköverkoissa, joissa energian tuotanto on hajautettu, niiden sisältämien moninaisten teknologioiden vuoksi. Näitä jänniterasituksien yhdistelmiä kutsutaan yhdistelmä ja komposiitti jännitteiksi. Hyvään ja tehokkaaseen jänniterasituksien yhdistelmien analysoimiseen on järkevää kehittää ohjelmisto.
Tämän diplomityön tarkoituksena oli kehittää tavat ja metodit komposiitti- ja yhdistelmäjännitteiden analysointiin sekä määritellä näillä periaatteilla valmistetun ohjelmiston epävarmuus. Analysointimetodien pohjaksi perehdyttiin alan standardeihin ja kirjallisuuteen. Sikäli kun oli mahdollista, seurattiin analysointiohjelmiston toteutuksessa soveltuvia standardeja. Standardien puutteellisuuden vuoksi yhdistelmä- ja komposiittijännitteiden analysointiin kehitettiin uusia metodeja tarpeellisten jänniteparametrien määrittämiseen.
Tämän hetken standardoinnissa on annettu suorat analysointimetodiohjeistukset salamasyöksyjännitteille, jotka ovat yksi mahdollinen osa komposiitti- ja yhdistelmäjännitteitä. Muille testijännitetyypeille ei ole standardoitu analysointimetodeja, mutta analysoitavat parametrit on määritelty. Samalla standardoinnissa on määritelmät salamasyöksy- ja kytkentäylijännitteiden epävarmuusarvioiden laskemiseen.
Koska työ tehtiin kalibrointilaboratorion tarpeisiin, tuli työn laskentatarkkuuteen erityisesti kiinnittää huomiota. Tarkkuuden saavuttamiseksi käytettiin monia metodeja. Ensinnäkin kytkentäjännitteet käsiteltiin samoilla metodeilla kuin salamasyöksyjännitteille on standardissa IEC 60060-1 määritelty. Eli mitattuun dataan ensin tehdään ideaalisen pulssimuodon sovitus, minkä jälkeen mittaustuloksen jäännökselle suoritetaan suodatus. Suodatettu jäännös ja sovitettu käyrä yhdistetään, minkä jälkeen vasta voidaan laskea pulssiparametreja. Yhdistelmä- ja komposiittijännitteiden analysoinnissa hyödynnettiin salama- ja kytkentäjännitteiden analysointia aina kun oli tarpeellista. Komposiittijännitteillä vaihtojännitteen erottaminen onnistui hyödyntämällä käyrän sovitus algoritmeja. Tasajännitteen parametrien analysoiminen komposiittijännitteissä lisättiin parannukseksi standardissa IEC 60060-1 määriteltyyn salamasyöksyjännitteen analysointimetodiin.
Yhdistelmäjännitteet, joissa toisena jännitekomponenttina on tasajännite, jätettiin analysoimatta tässä työssä. Yhdistelmä jännitteille määriteltiin vaadittavaksi kolme lähdetiedostoa, joista yhdessä on mittaus vaihtojännitteestä ainakin yhden kokonaisen jakson pituudelta, yhdessä on mittaus pulssista, ja yhdessä on mittaus vaihtojännitteestä pulssin ajalta samalla näytteenottotaajuudella kuin millä pulssi on mitattu. Yhdistelmäjännitteen saa tällöin muodostettua yhdistämällä pulssin ja pulssin näytteenottotaajuudella mitatun vaihtojännitteen.
Saavutetut laskennan parametrien epävarmuusarvot ovat hyväksyttäviä.
The aim of this thesis is to produce methods for combined and composite voltage evaluation based on the requirements given in standard IEC 60060-1. After producing these methods for test voltages, a software for evaluating combined and composite voltages was to be produced and its uncertainty calculated. The development of the evaluation methods was done by firstly reviewing relevant standards and secondly by reviewing the literature of the field of high voltage measurements. For the test voltages without standardised evaluation methods, new methods were produced to facilitate the calculation of specific test voltage parameters.
The current standard IEC 60060-1 includes direct methods for lightning impulse evaluation, which is one possible component voltage type for ‘mixed’ voltages. Other voltage types have no standardised evaluation methods but the parameters that need to be analysed have been defined. Standard IEC 61083-2 includes standardised uncertainty value calculations and methods which can be referenced for uncertainty evaluations.
Since the thesis project was done for calibration laboratory use the calculation accuracy of the software was of extra importance. To achieve acceptable accuracies many signal processing methods are required. Firstly, switching impulses are evaluated with the same methods that have been standardised for lightning impulses. This means that curve fitting is used to find the ideal impulse after which the differential from the measured is filtered. The filtered division is then added together with the fitted curve after which the pulse parameters can be evaluated. Composite and combined voltage evaluation exploit switching and lightning impulse evaluation methods when needed. The removal of alternating voltage content from composite voltages can be done by using curve fitting algorithms. The DC composite voltage evaluation was added to the developed analysis software as an extension to the evaluation methods defined in standard IEC 60060-1.
Combined voltages with DC voltage components were chosen not to be evaluated. Combined voltage evaluation was chosen to be executed in HV-com2 project based on three separate input files, one with a measurement of the power frequency with at least one full AC cycle, one with a measurement data of the impulse and one with measurement data for AC voltage with the same sampling rate as the impulse was measured. The combined voltage data is measured by combining the impulse data and the AC data with the same sampling rate at which the impulse was measured.
Tämän diplomityön tarkoituksena oli kehittää tavat ja metodit komposiitti- ja yhdistelmäjännitteiden analysointiin sekä määritellä näillä periaatteilla valmistetun ohjelmiston epävarmuus. Analysointimetodien pohjaksi perehdyttiin alan standardeihin ja kirjallisuuteen. Sikäli kun oli mahdollista, seurattiin analysointiohjelmiston toteutuksessa soveltuvia standardeja. Standardien puutteellisuuden vuoksi yhdistelmä- ja komposiittijännitteiden analysointiin kehitettiin uusia metodeja tarpeellisten jänniteparametrien määrittämiseen.
Tämän hetken standardoinnissa on annettu suorat analysointimetodiohjeistukset salamasyöksyjännitteille, jotka ovat yksi mahdollinen osa komposiitti- ja yhdistelmäjännitteitä. Muille testijännitetyypeille ei ole standardoitu analysointimetodeja, mutta analysoitavat parametrit on määritelty. Samalla standardoinnissa on määritelmät salamasyöksy- ja kytkentäylijännitteiden epävarmuusarvioiden laskemiseen.
Koska työ tehtiin kalibrointilaboratorion tarpeisiin, tuli työn laskentatarkkuuteen erityisesti kiinnittää huomiota. Tarkkuuden saavuttamiseksi käytettiin monia metodeja. Ensinnäkin kytkentäjännitteet käsiteltiin samoilla metodeilla kuin salamasyöksyjännitteille on standardissa IEC 60060-1 määritelty. Eli mitattuun dataan ensin tehdään ideaalisen pulssimuodon sovitus, minkä jälkeen mittaustuloksen jäännökselle suoritetaan suodatus. Suodatettu jäännös ja sovitettu käyrä yhdistetään, minkä jälkeen vasta voidaan laskea pulssiparametreja. Yhdistelmä- ja komposiittijännitteiden analysoinnissa hyödynnettiin salama- ja kytkentäjännitteiden analysointia aina kun oli tarpeellista. Komposiittijännitteillä vaihtojännitteen erottaminen onnistui hyödyntämällä käyrän sovitus algoritmeja. Tasajännitteen parametrien analysoiminen komposiittijännitteissä lisättiin parannukseksi standardissa IEC 60060-1 määriteltyyn salamasyöksyjännitteen analysointimetodiin.
Yhdistelmäjännitteet, joissa toisena jännitekomponenttina on tasajännite, jätettiin analysoimatta tässä työssä. Yhdistelmä jännitteille määriteltiin vaadittavaksi kolme lähdetiedostoa, joista yhdessä on mittaus vaihtojännitteestä ainakin yhden kokonaisen jakson pituudelta, yhdessä on mittaus pulssista, ja yhdessä on mittaus vaihtojännitteestä pulssin ajalta samalla näytteenottotaajuudella kuin millä pulssi on mitattu. Yhdistelmäjännitteen saa tällöin muodostettua yhdistämällä pulssin ja pulssin näytteenottotaajuudella mitatun vaihtojännitteen.
Saavutetut laskennan parametrien epävarmuusarvot ovat hyväksyttäviä.