Designing and development of secure protection strategies for distribution network integrated with distributed energy resources

Abstract

(English) Global electricity generation increasingly incorporates Distributed Generation (DG) resources, such as solar and wind, into distribution systems (DS), offering benefits like improved reliability, power quality, rapid integration, and reduced payback periods, while lowering greenhouse gas emissions. However, their integration presents challenges, including overvoltage, voltage fluctuations, and imbalances caused by improper synchronization with the grid. DGs alter short-circuit currents, necessitating updates to protection relay settings. As DG penetration rises, distribution networks become more complex, requiring advanced protection systems to handle bidirectional power flows, which challenge existing schemes. Inverter-based DGs, such as solar and wind, generate lower fault currents due to inverter power electronics, diminishing the effectiveness of traditional fault detection methods, leading to potential protection blinding or false tripping. These challenges highlight the need for precise fault detection, accurate localization, and rapid protective responses. Disconnecting DGs during faults is increasingly undesirable, requiring innovative protection schemes to minimize unnecessary disconnections and address limitations like fault resistance, pre-fault load conditions, and noise interference. Traditional fault location techniques, often computationally intensive, struggle with accuracy, prolonging restoration times and increasing downtime, further emphasizing the need for advanced fault protection systems.

Total Harmonic Distortion (THD) analysis has proven effective for fault detection in systems with complex harmonic profiles caused by DG integration. Faults induce increased harmonic distortion, making THD monitoring a valuable indicator. Despite its promise, protection systems for grids with high DG penetration, especially those using inverter-based DGs, are underexplored, and existing protection algorithms rarely incorporate THD. To address this, three novel protection systems utilizing grid voltage harmonic content for fault detection and localization in medium-voltage (MV) DS are proposed. The first system combines THD measurements with voltage amplitude and zero-sequence components using a finite state machine (FSM)-based algorithm. It focuses on third harmonic (triple-n) components, unique to inverter neutral points and unaffected by other grid harmonics. Fault-induced voltage dips excite harmonic components, amplifying THD, making it an effective fault indicator. THD is calculated using the Multiple Second Order Generalized Integrator (MSOGI) method. However, this system relies on communication channels, which could fail, limiting its robustness. To mitigate this, a two-layered protection system is introduced. The first layer employs the SOGI-FLL grid monitoring technique, optimizing computational efficiency by reducing the number of required SOGIs while maintaining accurate THD calculations. Fault detection is achieved by filtering the THD signal and comparing pre-fault and fault-time averages, with significant deviations indicating faults. The second layer implements a communication-less fault localization algorithm based on positive and negative voltage sequence components to determine fault symmetry. This approach enables each protection device (PD) to operate independently, ensuring reliable fault localization even without communication, albeit with slightly slower detection times compared to communication-based methods. To enhance overall reliability, especially during communication failures, a third system, priority system, is proposed. It integrates the two-layered protection, with the first layer as the primary fault detection and communication-based trip signal initiator. If communication fails, the second layer provides backup protection by analyzing voltage sequence components locally. The effectiveness of these systems is validated against different protection method under various conditions.

(Català) La generació d'electricitat global està incorporant més recursos de Generació Distribuïda (GD), com l'energia solar i eòlica, als sistemes de distribució (SD), oferint beneficis com millor fiabilitat, qualitat de l'energia, integració ràpida i períodes de recuperació d'inversió més curts, tot reduint les emissions de gasos d'efecte hivernacle. No obstant això, la seva integració presenta reptes com sobretensions, fluctuacions de tensió i desequilibris deguts a una sincronització inadequada amb la xarxa. Les GD modifiquen els corrents de curtcircuit, requerint actualitzacions en els relés de protecció. A mesura que la penetració de GD augmenta, les xarxes es tornen més complexes, necessitant sistemes de protecció avançats per gestionar fluxos d'energia bidireccionals, el que desafia els esquemes existents. Les GD basades en inversors generen corrents de fallada més baixos, reduint l'eficàcia dels mètodes tradicionals de detecció i provocant possibles cegueses de protecció o dispars falsos. Aquests reptes subratllen la necessitat d'una detecció precisa de fallades, localització exacta i respostes protectores ràpides. Desconnectar les GD durant fallades és cada cop menys desitjable, requerint esquemes de protecció innovadors per minimitzar desconnexions innecessàries i abordar limitacions com la resistència de fallada, condicions de càrrega prèvies a la fallada i interferències de soroll.

L'anàlisi de la Distorsió Harmònica Total (THD) ha demostrat ser eficaç per detectar fallades en sistemes amb perfils harmònics causats per la integració de GD. Les fallades augmenten la distorsió harmònica, convertint el monitoratge de la THD en un indicador valuós. Malgrat el seu potencial, els sistemes de protecció per a xarxes amb alta penetració de GD, especialment les basades en inversors, estan poc desenvolupats, i els algoritmes de protecció existents rarament incorporen la THD. Per abordar aquest problema, es proposen tres sistemes de protecció que utilitzen el contingut harmònic de la tensió de la xarxa per detectar i localitzar fallades en sistemes de distribució de mitjana tensió (MT). El primer sistema combina mesures de THD amb amplitud de tensió i components de seqüència zero mitjançant un algoritme basat en màquines d'estats finits (FSM). Es centra en els components harmònics de tercer ordre (triple-n), que són únics dels punts neutres dels inversors. Les caigudes de tensió causades per fallades exciten components harmònics, amplificant la THD, convertint-la en un indicador efectiu de fallades. La THD es calcula mitjançant el mètode Multiple Second Order Generalized Integrator (MSOGI).

Aquest sistema depèn de canals de comunicació, que poden fallar, limitant la seva robustesa. Per mitigar-ho, s'introdueix un sistema de protecció de dues capes. La primera capa utilitza la tècnica de monitoratge SOGI-FLL, reduint el nombre de SOGIs necessaris i mantenint càlculs precisos de THD. La detecció de fallades es fa filtrant el senyal de THD i comparant les mitjanes prèvia i durant la fallada, amb desviacions significatives indicant una fallada. La segona capa implementa un algoritme de localització de fallades sense comunicació, utilitzant components de seqüència de tensió per determinar la simetria de la fallada. Aquest mètode permet que cada dispositiu de protecció funcioni de manera independent, assegurant una localització fiable de la fallada fins i tot sense comunicació, tot i que amb un temps de detecció lleugerament més lent. Per millorar la fiabilitat, especialment durant fallades de comunicació, es proposa un tercer sistema de prioritat, que integra les dues capes de protecció. La primera capa és la detecció primària de fallades i la segona capa proporciona suport analitzant localment els components de seqüència de tensió. L'eficàcia d'aquests sistemes es valida davant de diversos mètodes de protecció en diferents condicions.

(Español) La generación de electricidad incorpora cada vez más sistemas de Generación Distribuida (GD), basados principalmente en solar y eólica, en los sistemas de distribución (SD), ofreciendo beneficios como mayor fiabilidad, mejor calidad de energía y reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. No obstante, su integración plantea desafíos como sobretensiones, fluctuaciones de voltaje y desequilibrios por sincronización inadecuada con la red. Además, las GD alteran las corrientes de cortocircuito, exigiendo ajustes en los relés de protección. Con una mayor penetración de GD, las redes de distribución se vuelven más complejas, requiriendo sistemas de protección avanzados para manejar flujos de potencia bidireccionales, que desafían los esquemas existentes. Las GD basadas en inversores ( eolica y fotovoltaica) generan menores corrientes de falla, reduciendo la efectividad de los métodos tradicionales de detección de fallas y aumentando el riesgo de cegar las protecciones y generando disparos falsos.

Esto resalta la necesidad de detección precisa de fallas, localización efectiva y respuestas rápidas. Desconectar GD durante fallas es cada vez menos viable, requiriendo esquemas de protección que minimicen desconexiones innecesarias y aborden limitaciones como resistencia de falla, condiciones de carga previa y ruido. Las técnicas tradicionales de localización de fallas son a menudo lentas e imprecisas, lo que enfatiza la necesidad de sistemas avanzados.

El análisis de la Distorsión Armónica Total (THD) ha mostrado efectividad para detectar fallas en sistemas con perfiles armónicos complejos, ya que las fallas aumentan la distorsión armónica, convirtiendo el monitoreo de THD en un indicador clave. Sin embargo, los sistemas de protección en redes con alta penetración de GD, especialmente las basadas en inversores, están poco explorados, y los algoritmos actuales rara vez utilizan THD.

Para abordar esto, se proponen tres sistemas de protección innovadores basados en el contenido armónico del voltaje para detectar y localizar fallas en SD de media tensión (MV). El primer sistema combina mediciones de THD, amplitud de voltaje y componentes de secuencia cero usando un algoritmo de máquinas de estados finitos (FSM). Este se centra en armónicos de tercer orden (triple-n), únicos de puntos neutrales de inversores, donde las caídas de voltaje amplifican el THD, calculado mediante el método MSOGI. Sin embargo, depende de comunicación, lo que podría limitar su robustez.

Para superar esta limitación, se introduce un sistema de dos capas. La primera emplea SOGI-FLL para monitorear la red de manera eficiente, comparando promedios de THD antes y durante fallas. La segunda capa usa un algoritmo sin comunicación basado en componentes de secuencia positiva y negativa para localizar fallas, operando de forma independiente y garantizando fiabilidad incluso sin comunicación, aunque con detección más lenta.

Finalmente, se propone un tercer sistema de prioridad que combina las dos capas. La primera actúa como mecanismo principal de detección basado en comunicación, y la segunda como respaldo en caso de fallos de comunicación, analizando localmente las componentes de voltaje. Estos sistemas se validan frente a diversos métodos de protección en condiciones variadas, demostrando su efectividad.