[論文レビュー] An Adaptive Overcurrent Protection for Solar-based DC Microgrids Using IEC 61850

Saeed Sanati, Maher A. Azzouz+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2023

Islanding Detection in Power Systems被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、IEC 61850プロトコルを用いた通信支援型で、適応的な過電流保護方式を太陽光発電ベースのDCマイクログリッドに提案する。IEC 61850によるリアルタイムなグリッドおよび故障状態のデータ交換を通じて、故障電流上昇時間が長く、DCグランドイング問題を有する課題にもかかわらず、迅速かつ選択性の高い故障遮断を実現する。MATLABおよびOPAL-RTシミュレーションにより検証された。

ABSTRACT

Over-Current (OC) protection is one of the pervasive protections in solar-based DC microgrids. Fast operation is a key advantage of its popularity. On the other hand, utilizing OC in DC microgrids has some challenges that are not in AC grids. Some of these challenges are related to the grounding approach of the DC microgrid, and others are related to the high rise time of the fault current in DC microgrids. Considering these challenges, an adaptive OC scheme with high selectivity and speed is presented in this paper. The proposed scheme is communication-assisted and relies on IEC 61850 protocol. In this scheme, different setting groups for each OC relay are defined, and based on the grid and fault conditions, a setting group is selected. This option is performed considering the data transferred via communication level using IEC 61850 protocol between relays. To evaluate the efficiency of the proposed scheme, simulations using MATLAB software and the experimental tests using OPAL-RT real-time simulator and Zenon software are presented.

研究の動機と目的

• DCマイクログリッドにおける従来の過電流保護の課題、例えば故障電流上昇時間が長く、グランドイング問題があることに対処すること。
• 従来のAC保護方式が不適切な太陽光発電ベースのDCマイクログリッドにおいて、保護の選択性と高速性を向上させること。
• IEC 61850を活用した通信支援型保護方式を開発し、リアルタイムな調整と適応的リレー設定を実現すること。
• シミュレーションおよびリアルタイムテストを用いて、多様な故障条件下での方式の性能を検証すること。

提案手法

• 本方式では、システム運転状態および故障タイプに応じて、各過電流リレーに対して複数の設定グループを定義する。
• リレー間の協調は、IEC 61850に基づく通信により実現され、リレー間でシステムおよび故障データをリアルタイムで交換可能となる。
• 最適な設定グループの選択は、IEC 61850プロトコルを介した故障検出およびデータ交換によってトリガーされ、適応的応答を保証する。
• システムは、オフラインシミュレーションにMATLABを、実時間テストの実験的検証にOPAL-RTリアルタイムシミュレータおよびZenonソフトウェアを用いる。
• 故障電流上昇時間およびDCグランドイング構成を明示的にモデル化し、実際のマイクログリッドのダイナミクスを反映する。
• 標準化されたIEC 61850メッセージングを介して既存の変電所自動化システムと統合され、相互運用性が保証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DCマイクログリッドにおける過電流保護を、変化する故障およびシステム状態に適応可能にするにはどうすればよいか？
• RQ2 IEC 61850ベースの通信は、選択性の向上に寄与する動的リレー協調をどのように実現するか？
• RQ3 本方式は、DCマイクログリッドで一般的な高い故障電流上昇時間に対し、どのように対処するか？
• RQ4 固定設定と比較して、適応的設定選択が故障遮断速度および選択性をどの程度向上させるか？

主な発見

• 本適応方式は、リアルタイムのシステムデータに基づくリレー設定の動的調整により、高い選択性で故障を遮断することに成功した。
• IEC 61850の使用により、リレー間で信頼性が高く迅速な通信が可能となり、故障発生時における迅速な協調を支援した。
• シミュレーションおよびリアルタイムテストにより、さまざまな運転条件下でも内部故障と外部故障を明確に区別できることが確認された。
• 従来の固定設定過電流リレーと比較して、特に高インダクタンスDCシステムにおいて、故障遮断時間が短縮された。
• 故障電流上昇時間およびシステム構成に基づく複数の設定グループの統合により、協調の正確性が著しく向上した。