Аналіз систем релейного захисту регіональних розподільних мереж з джерелами розподіленої генерації
DOI:
https://doi.org/10.31548/Анотація
Представлено порівняльний огляд і аналіз сучасних методів функціонування систем релейного захисту розподільчих мереж середньої напруги з джерелами розподіленої генерації (ДРГ). Аналіз торкнувся основних технічних викликів, пов’язаних з активним впровадженням ДРГ, насамперед відновлюваних джерел, у регіональні мережі, що призводить до зміну напрямків перетоків і величин струмів у мережі, порушення умов забезпечення селективності, чутливості та технічно досконалої координації між захисними пристроями. Окрема увага приділена особливостям роботи релейного захисту мікроенергосистем при переході від мережевого в острівний режим.
Метою дослідження є огляд та аналіз сучасних методів та систем релейного захисту розподільних регіональних мереж з ДРГ з урахуванням особливостей їх роботи.
У статті досліджені традиційні й інноваційні (адаптивні, комбіновані, на основі послідовних складових, із застосуванням фазорних вимірювальних пристроїв і штучного інтелекту) методи захисту, їхня ефективність та здатність роботи в характерних режимах. Порівняльний аналіз здійснено з урахуванням відомих сучасних платформ, їх переваг, складності реалізації, вимог до каналів зв’язку, проведення налаштувань та випробувань, можливого виникнення ризиків, обумовлених складністю систем релейного захисту. Визначені ключові переваги та обмеження сучасних підходів реалізації релейного захисту, а також актуальні тенденції розвитку систем захисту активних мереж із високою часткою ДРГ.
Показано, що для забезпечення надійності та безпеки електропостачання в сучасних умовах необхідне впровадження адаптивних, інтелектуальних і гібридних систем захисту з можливістю роботи регіональних мікромереж в острівному режимі.
Як правило, в розподільних регіональних мережах використовуються системи захисту на основі вимірювання струму, рідше - на основі вимірювання напруги або комбіновані системи захисту (на основі вимірювання струму та напруги). Однак, зміна структури електропостачання від централізованої (з одностороннім потоком струму) до децентралізованої (з різними ДРГ) створює серйозну загрозу для систем захисту мережі з точки зору надійності спрацювання, чутливості та координації різних елементів захисту.
Встановлено, що інноваційні методи демонструють вищу гнучкість, точність та здатність до самоорганізації. Водночас вони потребують більш складної технічної та програмної реалізації, налагодження комунікації та відповідного досвіду впровадження. Надійність захисту в майбутньому визначатиметься здатністю системи адаптуватись до швидких змін режиму роботи, динамічного підключення та зміни параметрів ДРГ, вимог до забезпечення живлення критичних споживачів навіть у разі переходу в острівний режимів при відключенні від основної мережі.
Ключові слова: розподілена генерація, перехідна стійкість, координація захисту, острівна робота, розподільна мережа
Посилання
1. Wang, J., Ganguly, S., & Kroposki, B. (2023). Study of Seamless Microgrid Transition Operation Using Grid-Forming Inverters. Preprint, National Renewable Energy Laboratory (NREL/CP-5D00-86102). Presented at the 49th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON), Singapore, October 16–19, 2023.
2. Harag Margossian, Geert Deconinck, and Juergen Sachau (2015). "Distribution network protection considering grid code requirements for distributed generation", IET Generation, Transmission & Distribution, vol. 9, no. 12, pp. 1377–1381, Sept. 2015. DOI: 10.1049/iet-gtd.2014.0987R.
3. Baumgarten, K., Wachter, J., Wiegel, F., Jumar, R., & Hagenmeyer, V. (2023). The gap between experiment and simulation: Grid-forming inverter control during islanding transition. Karlsruhe Institute of Technology.
4. Jain, D. L. Lubkeman, and S. M. Lukic. (2019). "Dynamic Adaptive Protection for Distribution Systems in Grid-Connected and Islanded Modes," IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 34, no. 2, pp. 714-723, April 2019, doi: 10.1109/TPWRD.2018.2875642.
5. M. Meskin, P. Iyer, and A. Domijan. (2017). "Impact of PV sources on the overcurrent relays in medium voltage distribution networks," in Proc. IEEE Green Technologies Conf. (GreenTech), Mar. 2017, pp. 1–6. doi: 10.1109/GreenTech.2017.46.
6. L. N. H. Pham, V. Rosero-Morillo, and F. Gonzalez-Longatt. (2024). "Directional overcurrent protection design for distribution network: CIGRE European medium-voltage benchmark network," Eng. Proc., vol. 77, p. 26, 2024. doi: 10.3390/engproc2024077026
7. Mulenga and N. Etherden. (2023). "Multiple Distribution Networks Hosting Capacity Assessment Using a Stochastic Approach," Sustainable Energy, Grids and Networks, vol. 36, pp. 101170, 2023, doi: 10.1016/j.segan.2023.101170.
8. H. Zahid, A. Zulfiqar, M. Adnan, S. Iqbal, and S. E. G. Mohamed. (2025). "A Review on Socio-Technical Transition Pathway to European Super Smart Grid: Trends, Challenges and Way Forward via Enabling Technologies," Results in Engineering, vol. 25, 2025, doi: 10.1016/j.rineng.2025.104155.
9. A.Vafadar, M. A. Hejazi, H. Hashemi-Dezaki, and N. Mohagheghi. (2024). "Optimal Protection Coordination of Active Distribution Networks Using Smart Selection of Short Circuit Voltage-Based Relay Characteristics," Energies, vol. 16, no. 14, p. 5301, Jul. 2023. doi: 10.3390/en16145301 S. Piskunov and A. Mokeev, "Improving Protection of Medium Voltage Networks," E3S Web of Conferences, vol. 584, 2024, doi: 10.1051/e3sconf/202458401031.
10. Tran The Hoang, Quoc Tuan Tran, and Yvon Besanger. (2022). "An Advanced Protection Scheme for Medium-Voltage Distribution Networks Containing Low-Voltage Microgrids With High Penetration of Photovoltaic Systems," International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 139, p. 107988, July 2022. doi: 10.1016/j.ijepes.2022.107988.
11. B. Wang and L. Jing. (2020). "A protection method for inverter-based microgrid using current-only polarity comparison," J. Mod. Power Syst. Clean Energy, vol. 8, no. 3, pp. 446–453, May 2020. doi: 10.35833/MPCE.2018.000722
12. H. Fayazi, B. Fani, M. Moazzami, and G. Shahgholian. (2021)."An offline three-level protection coordination scheme for distribution systems considering transient stability of synchronous distributed generation," International Journal of Electrical Power and Energy Systems, vol. 131, p. 107069, 2021. doi: 10.1016/j.ijepes.2021.107069.
13. F. M. Abo-Shady, M. A. Alaam, and A. M. Azmy. (2013). "Impedance-Based Fault Location Technique for Distribution Systems in Presence of Distributed Generation," in Proceedings of the IEEE International Conference on Smart Energy Grid Engineering (SEGE), Oshawa, Canada, 28–30 Aug. 2013, pp. 1–6.
doi: 10.1109/SEGE.2013.6707931.
14. F. Coffele, C. Booth, and A. Dyśko. (2013). "An Adaptive Overcurrent Protection Scheme for Distribution Networks," in Proceedings of the IEEE Power and Energy Society General Meeting, 2013, pp. 1–8.
15. H. Laaksonen. (2015). "Protection Scheme for Island Operated Medium-Voltage Microgrid," International Review of Electrical Engineering (IREE), vol. 10, no. 4, pp. 540–552, July–August 2015. doi: 10.15866/iree.v10i4.7131.
16. L. Wang, X. Song, and W. Jiang. (2024). "Differential Protection Scheme for Distribution Network With Distributed Generation Based on Improved Feature Mode Decomposition and Derivative Dynamic Time Warping," Frontiers in Energy Research, vol. 12, Art. no. 1369880, Mar. 2024. doi: 10.3389/fenrg.2024.1369880.
17. M. Meskin, P. Iyer, and A. Domijan. (2017). "Impact of PV Sources on the Overcurrent Relays in Medium Voltage Distribution Networks," in Proceedings of the IEEE Green Technologies Conference (GreenTech), Denver, CO, USA, Mar. 2017, pp. 46–52. doi: 10.1109/GreenTech.2017.4.
18. C. Yu, Z. Gao, Z. Liu, and Z. Tao. (2023). “Current differential protection for active distribution networks based on adaptive phase angle compensation coefficient,” Applied Sciences, vol. 13, no. 8, p. 4723, Apr. 2023, doi: 10.3390/app13084723.
19. S. Nikolovski, M. Vukobratović, and L. Majdandžić. (2016). "Protection Coordination and Anti-Islanding Protection Solution for Biomass Power Plant Connected on Distribution Network," International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), vol. 6, no. 6, pp. 2526–2537, Dec. 2016. doi: 10.11591/ijece.v6i6.11418.
20. V. Rosero-Morillo, S. Salazar-Pérez, F. Gonzalez-Longatt, and A. Rodríguez-García. (2022). "Impact of Distributed Generation Integration on Protection Devices: A Case Study in the CIGRE European Medium Voltage Network," Energies, vol. 15, no. 4, p. 1450, Feb. 2022. doi: 10.3390/en15041450.
21. S. Piskunov and A. Mokeev, "Improving Protection of Medium Voltage Networks," E3S Web of Conferences, vol. 584, p. 01031, 2024. doi: 10.1051/e3sconf/202458401031.
22. A.Neves, B. Almeida, M. Louro, J. F. Martins, and J. G. Pinto. (2019). "Protection Scheme for Energy Storage Systems Operating in Island or Grid-Connected Modes," in Proceedings of the 54th International Universities Power Engineering Conference (UPEC), Bucharest, Romania, Sept. 2019, pp. 1–6.
doi: 10.1109/UPEC.2019.8893400
23. C. Yu, Z. Gao, Z. Liu and Z. Tao. (2023). "Current Differential Protection for Active Distribution Networks Based on Adaptive Phase Angle Compensation Coefficient," Applied Sciences, vol. 13, no. 8, p. 4723, Apr. 2023, doi: 10.3390/app13084723.
24. Wang, B., & Jing, L. (2020). A Protection Method for Inverter-Based Microgrid Using Current-Only Polarity Comparison. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 8(3), 446–453.
25. Candelaria Utrilla, C., Sigrist, L., Rouco, L., Barroso, A., Ballesteros, F. J., & Santamaria, A. (2020). Islanding tests in medium-voltage distribution systems with synchronous and non-synchronous generation. CIRED – Open Access Proceedings Journal, 2020(1), 493–496.
26. Roos, M. H., Nguyen, P. H., Morren, J., & Slootweg, J. G. (2020). Modeling and experimental validation of power electronic loads and DERs for microgrid islanding simulations. IEEE Transactions on Power Systems, 35(3), 2279–2288.
27. Tsimtsios, A. M., & Nikolaidis, V. C. (2021). Plug-and-Play Protection: A Solution Against Protection Scheme Design Complexity in Modern Active Distribution Systems. In CIRED 2021 - The 26th International Conference and Exhibition on Electricity Distribution, Paper 58. DOI: 10.1049/icp.2021.1800.
28. G. Frigo, A. Derviškadić, Y. Zuo, and M. Paolone. (2019). "PMU-Based ROCOF Measurements: Uncertainty Limits and Metrological Significance in Power System Applications," IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 68, no. 7, pp. 2617–2627, July 2019, doi: 10.1109/TIM.2018.2877102.
29. A. Sarhan, M. Barczentewicz, and F. Lerch. (2024). "Hybrid islanding detection method using PMU-ANN approach for inverter-based distributed generation systems," IET Renewable Power Generation, vol. 18, no. 2, pp. 142–151, 2024, doi: 10.1049/rpg2.12957.
30. Apoorva Shukla, Soham Dutta, Pradip Kumar Sadhu. (2021). "An island detection approach by μ-PMU with reduced chances of cyber attack," International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 126, Part A, March 2021, Article 106599. doi: 10.1016/j.ijepes.2020.106599.
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Стосунки між правовласниками і користувачами регулюються на умовах ліцензії Creative Commons Із Зазначенням Авторства – Некомерційна – Поширення На Тих Самих Умовах 4.0 Міжнародна (CC BY-NC-SA 4.0):https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.uk
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див.The Effect of Open Access).
