Multiphase Short-Circuit Analysis Solver in Phase Domain Using a Modified-Augmented-Nodal Analysis Approach

Ce mémoire présente un nouvel algorithme qui a pour objectif de calculer les valeurs de court-circuit en utilisant une méthode d'analyse nodale-modifiée-augmentée (MANA). L'intérêt principal de cette méthode est la résolution de réseaux de distributions qui sont complexes et déséquilibrés. Cependant, cette méthode peut être appliquée à la résolution de réseaux équilibrés, déséquilibrés, radiaux et bouclés, et de façon générale aux réseaux de distribution et de transport. La contribution significative de cette recherche est le développement d'une méthode générale capable de résoudre des fautes parallèles, des fautes séries et des fautes simultanées sur divers barres du réseau tout en évaluant les courants de contributions sur l'ensemble des appareils constituants le réseau multi-phasé. De plus, ce document présente un algorithme de résolution du court-circuit sur toutes les barres du réseau avec une méthode efficace combinée avec un solveur robuste et performant pour des systèmes linéaires à matrices creuses non-symétriques. La méthodologie proposée est de définir les modèles des équipements typiques que l'on retrouve dans les réseaux de distribution, soit les sources de postes, les transformateurs à deux enroulements, les transformateurs à trois enroulements, les machines synchrones, les machines à inductions, les lignes couplées, les câbles et les appareils de protections et de sectionnement. Par la suite, on tente de développer des algorithmes pouvant résoudre les systèmes multi-phase complexes et déséquilibrés. Enfin, une aperçue des techniques de résolution directes de systèmes linéaires est étudiée pour réduire le temps de calculs pour la résolution du problème de court-circuit. Les modèles et les algorithmes ont été validés en comparant les résultats avec des références publiées. Les résultats démontrent une bonne précision numérique des modèles et une robustesse des algorithmes. La performance de la résolution demeure cependant une recherche importante à poursuivre.

Abstract

This dissertation presents a new algorithm for the calculations of short-circuit currents in multiphase power systems using the modified-augmented-nodal analysis (MANA) approach. The main focus of this method is to solve complex unbalanced distribution systems. However, the proposed method is also applicable to balanced, unbalanced, radial and highly meshed secondary networks or transmission systems. The main contribution of this research is the development of a general method able to compute shunt, series and simultaneous fault currents at fault locations with the evaluation of contributing currents on all network devices using a multiphase circuit representation. It also presents how to compute short-circuit currents at any system location with an efficient method combined with a high-performance and robust package for large sparse asymmetric linear systems. The proposed methodology starts by defining typical models of devices in the distribution system, such as substation sources, two-winding transformers, three-winding transformers, synchronous machines, induction machines, overhead electromagnetic coupled lines, cables, switching devices and protective devices. Then, short-circuit algorithms are developed to solve multiphase complex unbalanced systems. An overview of sparse linear equation direct solution methods is also presented for the objective of computational time reduction in large scale systems. The models and algorithms are validated using published references. The validation tests cases have shown good numerical accuracy and robustness on small and large networks. The performance remains an issue for large networks and further research remains to be contributed on this particular aspect.