The Functionality of Monitoring Systems under Transforming Power Grid of Active Сonsumers

The MAIN JOURNAL for POWER GRID SPECIALISTS in RUSSIA

3 - 6   J U N E   2 0 1 9

MADRID, SPAIN

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Th

  e Functionality of Monitoring 

Systems under Transforming
Power Grid of Active Сonsumers

Andrey KUCHERIAVENKOV, 

Director of ANTRAKS R&D LLC

Ekaterina KARTASHEVA, 

Head of marketing department, Trinity Engineering LLC

T

he current transformation 
of  power  system  towards 
a  decentralized  model 
brings  some  features  in 

the  changing  power  supply  from 
the  practice  of  complex  distribu-
tion  networks.  The  presence  of 
prosumers  in  the  grid  and  the 
need  to  integrate  renewable  en-
ergy  sources  require  a  dynamic 
change  in  the  transmission  and 
distribution  of  electricity.  The  key 
features  of  new  generation  net-
works  are  power  lines  operation 
with  alternating  feed  from  differ-
ent  directions  and  smart  control 
of  power  system  facilities,  which 
require not ordinary maintenance, 
but  a  quick  response  to  the  state 
of power equipment.

For  simple  configuration  and 

reconfiguration  of  the  upgraded 
power  grid,  automation  level  in-
crease  in  the  field  of  observabil-
ity  and  controllability  of  all  power 
system  components  in  real  time 
is needed. The calculation of net-
work  automation  points,  support 
of  self-restorability  functions,  dy-
namic voltage regulation and load 
reduction require continuous mon-
itoring  of  power  lines  and  equip-
ment,  as  well  as  self-diagnostics 
of monitoring and control de vices. 
As  of  today,  existing  modern 
software  and  hardware  systems 
process  information  from  vari-
ous data sources simultaneously, 
compare  the  received  informa-
tion  with  accumulated  database 
of  network  performance  and  use 
a probabilistic model and artificial 
intelligence  mechanisms  for  cut-
ting  off  false  data  and  assessing 

risks  and  management  decisions 
respectively.  These  software  and 
hardware  systems  increase  the 
depth  of  diagnostic  information 
analysis significantly.

The  use  of  geographic  infor-

mation  systems,  including  infor-
mation  about  the  location  and 
properties  of  three-dimensional 
objects  in  the  coordinate-time 
system,  provide  maximum  visi-
bility  and  usability  of  upgraded 
networks  monitoring.  Using  the 
geographic  information  system  it 
is possible to form a multi-level in-
formation network and monitoring 
and control systems for overhead 
and cable lines based on the data 
from  various  diagnostic  devices: 
current sensors, voltage sensors, 
power  line  temperature  sensors, 
icing  sensors,  three-dimensional 
position sensors of the conductor, 
topographic  and  remote  devices 
for  determining  power  line  dam-
age  location.  These  data  will  not 
only  provide  immediate  response 
to  events  in  the  power  system, 
but  also  create  the  conditions  for 
implementing  predictive  damage 
diagnosis  mechanism,  assessing 
the  probability  of  individual  net-
work nodes failure and moving on 
to active adaptive configuration of 
distribution networks.

The  basic  functionality  of  the 

monitoring  system  is  the  cor-
rect  identification  of  all  power 
lines  damages  (single-phase-to-
ground faults and phase-to-phase 
faults),  when  taking  place  any 
direction  of  power  flow  or  zero 
power flow (line under guard volt-
age), wire breakage, automatic re-

closing  or  damages,  occurring  in 
normal  operation,  and  when  con-
necting  consumers  to  distribution 
network.  Determination  of  dam-
age  location  with  visualization  of 
the current network state and the 
accident  place,  power  lines  auto-
matic  sectioning  during  an  emer-
gency process and accounting for 
unserved  electricity  are  ensured 
by  the  implementation  of  a  geo-
graphic  information  system  for 
monitoring  and  controlling  power 
transmission.

The monitoring and automation 

system of the distribution network, 
offered by ANTRAKS, is based on 
the use of intelligent sensors of its 
own design and production (short-
circuit  indicators  for  overhead 
lines,  A-signal  electrical  network 
monitors,  smart  digital  discon-
nectors).  The  system  allows  en-
gineers  to  identify  any  accidents 
on  6-110  kV  overhead  and  cable 
lines,  as  well  as  promptly  sec-
tionalize  damaged  areas.  In  ad-
dition,  the  system  predicts  some 
emergencies  in  advance  based 
on  the  analysis  of  overhead  lines 
equipment.  When  scaling  up  the 
analytical part, the system allows 
engineers  to  manage  information 
and  business  analytics  based  on 
digital  technologies  for  process-
ing  large  data  arrays  using  artifi-
cial intelligence systems and ma-
chine learning.

The central part of the system 

is the KOMORSAN  data acquisi-
tion  and  processing  server.  Data 
from smart sensors is sent to the 
server  via  different  communica-
tion  channels,  depending  on  the 

INN

OVAT

I

O

N

S  A

N

D 

EFF

I

C

I

E

N

CY  PROPOSALS

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types  of  devices  included  in  the 
system.  Instrument  packages 
equipped with a GSM module es-
tablish TCP/IP connection for data 
exchange. Indicators, using a data 
relay channel based on Mesh net-
work,  transmit  information  to  the 
server  via  an  intermediate  data 
acquisition controller, which is the 
network coordinator and interface 
converter.  Information  transfer  to 
the  KOMORSAN  system  takes 
place  in  real  time.  The  flexibil-
ity  of  KOMORSAN    system  data 
model  allows  engineers  to  man-
age  a  set  of  roles  and  privileges 
as  well  as  login  level  of  users  in 
the  KOMORSAN  Web  client.  The 
system has built-in cyber security 
mechanisms  and  stores  informa-
tion about user actions.

The system is optimal for moni-

toring 6-110 kV overhead and ca-
ble lines due to the high sensitivity 
of  devices.  Registration  of  emer-
gency  currents  from  0.5  A  and 
implementation  of  several  emer-
gency  detection  algorithms  guar-
antee the absence of false alarms 
at  low  emergency  currents  and 
reliable determination of all emer-
gencies  (single-phase-to-ground 
faults and phase-to-phase faults). 
Determining the direction of short 
circuit  current  makes  it  possible 
to  locate  damaged  overhead  line 
section and exact distance to the 
fault.

The  monitoring  system  does 

not  require  the  installation  of  ad-
ditional  equipment  at  substations 
(it reduces the overall cost of the 
system), complex erecting work at 
substations  and  creation  of  arti-

ficial  modes  with  current  surges, 
reducing  the  service  life  of  net-
work  equipment.  Synchronous 
voltage  and  currents  measure-
ments  in  each  phase  with  real-
time  stamp  and  construction  of 
oscillograms and vector diagrams 
for each phase make it possible to 
verify the correct power line phas-
ing  and  to  monitor  the  processes 
in  real  time  for  transiting  to  risk-
oriented network management.

ANTRAKS  smart  sensors  are 

made in plug-and-play technology 
and  do  not  require  user  custom-
ization. The use of controlled de-
vices for power system sectioning 
increases  power  equipment  life-
time,  as  opposed  to  vacuum  cir-
cuit breakers (reclosers), generat-
ing  high-frequency  (50-200  kHz) 
overvoltage in electrical networks 
and  leading  to  premature  failure 
of transformers.

T h e   s y s t e m   o f f e r e d   b y

ANTRAKS  is  cross  functional.  It 
is  integrated  with  existing  infra-
structure of distribution networks, 
including SCADA systems. Also it 
provides  the  possibility  to  control 
power  districts  when  connecting 
sectionalizing  devices.  The  sys-
tem  is  easily  customizable:  it  is 
possible  to  switch  on  mimic  dia-
grams,  to  add  allocation  of  dam-
aged area, to point out additional 
user  roles  and  to  collect  analyt-
ics  in  a  convenient  form.  Moni-
toring  provides  an  opportunity  to 
increase  power  line  transmission 
capacity.

The  system  allows  engineers 

to  control  peak  loads.  It  is  espe-
cially  important  when  integrating 

renewable  energy  sources  and 
active  consumers.  The  system  is 
capable to make independent de-
cisions,  including  the  control  of 
power flow. The use of probabilis-
tic algorithms and machine learn-
ing algorithms ensures fault toler-
ance  of  the  system  as  well  as  its 
self-diagnosis  and  self-learning. 
The phased implementation of an 
integrated  system  is  very  conve-
nient  economically,  the  system 
is  easily  scaled  "in  width"  (geo-
graphically)  and  "in  depth"  (con-
nection of new devices).

An  integrated  approach  to 

electrical network monitoring pro-
vides  a  simple  solution  for  the 
problem  of  upgrading  and  im-
proving  power  system  reliability. 
Using  the  achievements  of  mod-
ern  electronics,  communication 
systems  and  machine  learning 
technologies makes it possible to 
cost-effectively solve the problem 
of  quick  power  restoration  with-
out  installing  primary  equipment
and  changing  the  network  topo-
logy.  

Р

Diagnostics

Risk

determination

Modernization

Reconfi guration

Monitoring

Planning

Analysis

and prioritization

Risk list

Main risks

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24th World Energy Congress 

Special  issue,  September  2019