Uudet tekniikat sähköverkon vikatilanteiden ja hajautetun tuotannon hallinnassa -hankkeen Tulosseminaari Ohjelmistoradiotekniikan soveltaminen LUT 19.09.2017
2
Taustaa & LoM-tutkimuskysymyksiä Mikä olisi optimaalinen toteutustapa jatkuvuussignaaliin perustuvalle LoM-suojaukselle? Raportin mukaan tulevaisuuden trendi tulee olemaan tietoliikenteen hyödyntäminen luotettavan LoMsuojauksen toteutuksessa. Sähköverkkoon syötettävä jatkuvuussignaali ja havainnointi suojattavilla kohteilla 3
Taustaa & LoM-tutkimuskysymyksiä PLC-tekniikkaan pohjautuva konsepti, jossa LoM-suojaus & vianpaikannus Sähköverkon käyttö kanavana Kustannustehokas ratkaisu (+) Haasteellinen ympäristö ( ) Signalointi: Sähköasema KJ & PJ-verkko suojattavat kohteet Muuntajien läpäisy vaatimuksena LoM-signaalin lisäksi datan siirto signaalin mukana Uutuus- ja lisäarvo Sopivan taajuusalueen valinta Sallitut lähetystehot vs. kohina kanavassa Signaalin vaimeneminen Muuntajan läpäisy 4
Tietoliikenteeseen perustuvat menetelmät Signalointilaitteistona ohjelmistoradiot Skaalautuva alusta Säädettävät parametrit samalla laitteistolla Taajuuskaista, modulaatiot jne. Kommunikointilinkin tutkimus & toteutus OFDM-monikantoaaltotekniikka Kantoaaltojen modulointi DSSS-modulointi hajaspektritekniikka Applications: LoM, Algorithms for fault detection, etc. Modulations, Signal Spectrum, Measurements NI USRP Drivers: Interfaces, GB Ethernet, RF TX/RX 5
Signalointitehot & taajuuskaistat RCS < 3 khz 5 Vrms @ 1kHz CENELEC A: 3 9 khz 134 db ( V) 5 V CENELEC A: 9 95 khz Decreasing = 120 db ( V) 1 V at 95 khz. However, for Broad-Band signals, the maximum allowed peak voltage equals 134 db ( V) 5V. Furthermore, in any frequency band of 200 Hz in width, the maximum transmitter output voltage should not exceed 120 db ( V). 150 khz 490 khz G3-PLC band (FCC) P tx = 30 dbm/hz = n. 1 V Tiedonsiirron kapasiteetti kaistanleveyden funktio 6
PLC pohjainen ratkaisu Määritettiin kolme tutkittavaa LoM-suojauskonseptia Case 1: Signalointitasoon perustuva LoM (ei tiedonsiirtoa) Case 2: Tiedonsiirtopohjainen LoM Case 3: Multifunction; LoM+vianpaikannus Useat lähettimet ja vastaanottimet 7
PLC pohjainen ratkaisu Case 1: Signalointitasoon perustuva LoM (ei tiedonsiirtoa) Lähetin-vastaanotinpari toteutettu Signalointitason detektointi; laukaisu 30 ms, kun ei signaalia Toteutus eri taajuuksilla: (< 3 khz), 100 khz Freq. Bands: Super low frequency (SLF): 30 300 Hz Ultra Narrowband 0.3 3 khz (RCS 125 2000 Hz) Rajapintoja ei saatavilla / kalliita Uutuusarvo? Vaikutukset sähkön laatuun Signalointi alle 3 khz Sähköverkkokanavan ominaisuudet (KJ-verkko 100 khz ) Taajuusvaste Kohina 8
PLC pohjainen ratkaisu Case 2: Tiedonsiirtopohjainen LoM eri modulaatioilla Datan sisällytys signaaliin - toteutettu Bit Error Ratio (BER) 0 % f > 50/100 khz, Data rate > 1 kbps CENELEC 3 148.5 khz / G3-PLC Tiedonsiirtopohjainen hajaspektrimodulaatio DSSS LoM sietää häiriötä signalointitasoista paremmin Uutuusarvo: Eri modulaatioiden häiriösietoisuus, vastaanottimen herkkyys Signaloinnin kantama & muuntajan läpäisy eri taajuuksilla 9
PLC pohjainen ratkaisu Case 3: Multiuser; LoM + vianpaikannus (2 Tx, 2 Rx) Uutuusarvo LoM signalointi myös indikaattori verkon tilasta Mitkä lähettimet vastaanotin kuulee Taajuuskaistat & data rate CENELEC 3 148.5 khz Few kbps FCC G3-PLC band P Tx = 30 dbm/hz 150 500 khz 10 200 kbps 10
Pääpaino konsepteissa Case 2 & Case 3 Tutkimuksellisesti kiinnostavin Multiuser toiminnallisuus Modernien modulaatiotekniikoiden hyödyntäminen Datan siirto: LoM ja vianpaikannus (tarkkuus: muuntajien väli) Valittiin taajuuskaistaksi 100 500 khz Kytkentärajapintojen hinta ja saatavuus yksi tekijä Matalilla taajuuksilla (< 3 khz) kytkentärajapinnan fyysinen koko kasvaa Saatavilla FCC kaistalle Induktiiviset rajapinnat Yksinkertainen kytkentä 11
Laboratorion sähköverkko Konseptin testaus & verifiointi laboratorioympäristössä Muuntajan läpäisykyky / signaalin vahvistaminen Mittaukset, muuntajamalli Signaalin kantama sähköverkossa (vaimentimet) Vianpaikannus LoM-suojauksen ohessa Testipenkki 20/0.4 kv jakelumuuntaja Ohjelmistoradiot Induktiiviset kytkentärajapinnat Balun impedanssisovittimet (50 ohm 1 ohm) Kaistanpäästösuodattimet (140 500 khz) Signaalivahvistimet lähetin & vastaanotin Vaimentimet 1 30 db 12
Muuntaja(t) Sähköaseman ja asiakkaan välillä Muuntaja keskeinen konseptin määrityksessä Läpäisy / ohitus / signaalin toistaminen Vaikuttaa signalointitaajuuteen / konseptiin 20/0.4 kv Dyn11 muuntaja laboratoriossa Mittaukset Tuloimpedanssimittaukset Muuntajamalli (kanavan mallinnusta varten) Vaimennusmittaukset Signalointi muuntajan läpi Testit? Sähköasema 110/20 KV jatkuvuussignaalin syöttö Muuntamo 20/0.4 kv detektointi, toistaminen Vianpaikannussignaali LoM-signaali Pienjänniteverkko (AC/LVDC) detektointi Asiakas AMR PV EV HA CEI 13
Testipenkki Laboratoriossa 20/0.4 kv muuntajan tuloimpedanssimittaukset Signalointi muuntajan yli Muuntajan mallinnus 1 khz 1 MHz Signalointitaajuuskaistan verifiointi 100 500 khz Signaalinen vaimennus KJ-verkossa Kanavan kohinan vaikutukset 14
Testipenkki Laboratoriossa Konseptin testaus Ferrites C B A balun Muuntaja = SA filter amp Tx SDR Signalointi muuntajan yli/läpi Att. Vaimennus KJ-verkossa signaalin kantama Demonstrointi vaimentimilla Kanavan kohinan vaikutukset? C B A n c b a 20/0.4 kv muunt SDR & DSSS parametrien testaus Tx. band 100 500 khz Load balun filter amp SDR Rx 15
Testipenkki Laboratoriossa Konseptin testaus Case - Signalointitaso vaimentunut muuntajalla Tehon jakautuminen KJ-verkon haaroihin Vaimennus rajapinnoissa & kaapeleissa Kohinan vaikutukset Detektointi muuntajan jälkeen DSSS:llä Ei signaalia Muuntajan ohitus - konsepti Ferrites Att. C B A Ferrites balun balun C B A n c b a Load Muuntaja = SA Tx filter amp SDR Rx filter amp SDR Tx 20/0.4 kv muuntaja balun balun filter filter amp SDR Rx 16
Signaling concept MV sub-grid LV sub-grid 17
SDR concept software-defined radio A radio system, where communication parameters can be manipulate by software on same hardware High flexibility and adjustability with: Signal (de)modulation techniques Signal characteristics Signal processing 18
Laboratory setup 3 SDR units by Ettus Research 3 PLC band-pass filters 2 Rx amplifiers, 1 Tx amplifier 3 Inductive coupling interfaces 2 laptops, controlling SDRs A set of signal attenuators (total att. up to 55 db attenuation) A Rohde & Schwarz digital oscilloscope MV/LV 20/0.4 kv transformer 19
Components used in test setup 20 16.09.2017
Signalling technique LoM LoM+data Grid monitoring, fault location No data or low data rate (bps) Low f (<3 khz) Solely LoM OFDM DSSS Data rate of few kbps f= 3 148.5 khz f= 150 500 khz LoM + control to some extension OFDMA CDMA Higher BER f<500 khz Unique data (e.g. GPS) from every node on a separate channel Decentralized logic and switches to maintain power balance Table Typical Path Loss Values for PLC in db/km. Values May Vary Depending on Cable Type, Loading Conditions, Weather, etc. OH: Overhead; UG: Underground [1] LoM detection time Passive methods 1-2 s Active methods 0.3 s 21 Lappeenrannan teknillinen yliopisto 10.6.2016
DSSS modulation technique direct-sequence spread spectrum Software designed in LabVIEW 2014 Better signal propagation through the transformer Higher robustness against noise and attenuation Signal reception with negative signal-to-noise ratios Higher communication throughput (bits/s) 22
Fault detection functionality Signal parameters are continuously monitored Bit Error Rate (BER) Bitrate Latency between subsequent signals In case of fault: Latency Bit Error Rate Bitrate 23
Sensitivity analysis DSSS modulation has 2 main adjustable parameters: Spreading Code Synchronization Key Goal find DSSS settings, which provides the most accurate and fast fault detection -In lab & in field Procedure automated tests: different settings were evaluated with different signal to noise ratios 24
Sensitivity analysis results A setting of SC=13 SK=8 was chosen 25
Transformer bypass scheme proposal and laboratory tests A bypassing and signal repetition scheme is vital when harsh channel conditions present, or when low-power signal arrives to transformer In a channel with a high SNR, mutual interference of signals makes application not needed 26
Kenttätestit Ohjelmistoradioilla signalointi keskijänniteverkossa JSE:n verkko haja-asutusalueella Konseptin testaus Laboratoriossa tehtyjen testien verifioimiseksi Signalointitestit Sähköasema - muuntamo(t) väli haja-asutusalueella Verkon haarojen vaikutukset signalointiin Verkon häiriöiden ja kanavan kohinan vaikutukset signalointiin Tiedonsiirtopohjainen hajaspektrimodulaatio (DSSS) LoM Eri modulaatioiden häiriösietoisuus, vastaanottimen herkkyys Signaloinnin kantama & muuntajan läpäisy eri taajuuksilla 27
28
SA Kenttätestit - Alustavat tulokset KJ-verkko: SA LVDC-muuntaja n. 15 km Ei havaittavaa signaalia muuntamolla n. 6 km n. 15 km LVDC muunt. n. 9 km Rx KJ-verkon haarat tehon jakautuminen SA Tx Signaalin vaimeneminen johdossa Kohina kanavassa 29
Kenttätestit - Alustavat tulokset Muunt. n. 10 km Muunt. Radion siirtäminen noin puoleen väliin toiselle muuntamolle SA muuntaja, n. 5 6 km Ei havaittavaa signaalia muuntamolla Muunt. Muunt. Muunt. Muunt. Muunt. n. 3 km n. 5-6 km KJ-verkon haarat tehon jakautuminen SA Signaalin vaimeneminen sähköverkossa Kohina kanavassa 30
Kenttätestit - Alustavat tulokset Signaalikohinasuhde hyvä Lähettimeltä signaalitaso vahvistuksen jälkeen > 40 50 dbm/hz Kanavaan saadaan n. 50/65 dbm/hz Kohina muuntamolla tasaista < 120 dbm/hz PSD (dbm/hz) Kuva. Kohinan PSD muuntamolla 31
Kenttätestit - Alustavat tulokset SA Signaalin vaimennus AXMK kaapeli: 1 1.5 db/km @500 khz) Haarojen vaikutus SA:lla ¼ signalointitehosta haluttuun suuntaan Muunt. Tx/Rx LVDC muunt. Tx/Rx Muut verkon haarat Rajapintojen vaikutus n. 4 5 db rajapinnassa SA Tx/Rx Konsepti: toistaminen joka muuntamolla Mallinnus/Simuloinnit tueksi 32
Kenttätestit - Alustavat tulokset Signalointi muuntajan yli KJ PJ Kohinan mittaus molemmilla puolilla Tasaista KJ-puolella ja LV-puolella Signalointi kuuluu PJ KJ, muttei KJ PJ Syyt muuntajan impedanssi & verkon topologia Toistimet jokaiselle muuntamolle ja muuntamoiden ohitus Kytkentärajapinnat ja signalointi KJ- ja PJverkkoihin Päätelaitteiden käyttösähköt 230 VAC, 0 Vianpaikannusfunktion integrointi PSD (dbm/hz) PSD (dbm/hz) 33
Yhteenveto (1/3) Muuntaja mallinnettu Signaalin kantamaa mallinnettu ja testattu Määritetty taajuuskaista ja DSSS-konsepti kehitetty LoM-suojaus & vianpaikannus (tarkkuus muuntajien väli) Alustavat kenttätestit eivät onnistuneet Verkon haarat & tehon jakautuminen niihin Suuri vaimennus kytkentärajapinnoissa Suurjännitelinja avojohto KJ-linjan yläpuolella (kytkeytyminen& häiriöt?) SDR parametrien muutos (taajuuskaista ja kantoaaltotaajuus) Testit jatkuvat vastaanottimen siirto lähemmäs sähköasemaa Kanavan tarkempi mallinnus 34
Yhteenveto Tulokset (2/3) Muuntajan mallinnus [Pinomaa, IEEE ISPLC2016] Kanavan mallinnus [Pinomaa, IEEE Trans. On Power Del, 2018], tulossa LoM-konseptin tutkimus [Poluektov, IEEE ISPLC2016, -2017], [Poluektov, WSPLC2016] [Poluektov, Chapter in PLC Book by IET Press], draftin lähetys marraskuussa DSSS-suorituskyvyn tutkimus [Poluektov, IEEE Trans. On Smart Grids, 2018], lähetys syyskuun aikana 35
Yhteenveto Jatkotutkimustarpeet (3/3) Kanavan ominaisuuksien lisätutkimukset Lisää tiedonsiirtotestejä kentällä Kanavan simulointimalli Suorituskyvyn analyysi Sopiva taajuusalue Laitteistomääritykset lähettimille & vastaanottimille IEC-61850 sisällyttäminen PLC-signaaliin Ohjelmistoradion käyttö-/tutkimuskohteet Teollisuudessa taajuusmuuttajaohjatut sähkökäytöt Sensorointi (reaaliaikaisuus vs. TCP/IP) Kaapeleiden online-kunnonvalvonta Impedanssispektroskopia 36
37 Kiitos!