[논문 리뷰] A Harmonic-based Fault detection algorithm for Microgrids

Wael Al Hanaineh, J. Matas외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 28.

Islanding Detection in Power Systems인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 분산 발전기(DG)의 통합으로 인한 마이크로그리드 내 고장 탐지 문제를 해결하기 위해 총 고조파 왜곡(THD), 전압 진폭 추정, 제로순서 성분을 활용한 고조파 기반 고장 탐지 알고리즘을 제안한다. 이 알고리즘은 빠르고 정확한 다양한 고장 유형의 탐지 및 식별을 가능하게 하며, MATLAB/Simulink 시뮬레이션을 통해 검증되었다. 다양한 고장 시나리오에서 빠른 고장 탐지 성능을 보이며, 고립 및 전력망 연동 마이크로그리드 운영 환경에서 강건성과 적시성 모두 확보하였다.

ABSTRACT

The trend toward Microgrids (MGs) is significantly increasing by employing Distributed Generators (DGs) which leads to new challenges, especially in the fault detection. This paper proposes an algorithm based on the Total Harmonic Distortion (THD) of the grid voltages to detect the events of faults in MGs. The algorithm uses the THD together with the estimate amplitude voltages and the zero-sequence component for the detection and identification of the faults. The performance is evaluated by using MATLAB/Simulink simulations to validate the capability for detecting different fault types in the least possible time.

연구 동기 및 목표

• 분산 발전기(DG)의 통합으로 인한 마이크로그리드 내 고장 탐지 문제 해결을 위한 목적.
• 전력망 연동 및 고립 마이크로그리드 모드 모두에 적합한 실시간이고 신뢰할 수 있는 고장 탐지 방법 개발.
• 고조파 특성과 순서 성분을 활용하여 고장 탐지 속도와 정확도 향상.
• 다양한 고장 유형에 대한 포괄적인 시뮬레이션 테스트를 통해 알고리즘 성능 검증.

제안 방법

• 알고리즘은 주요 고장 지표로 삼기 위해 3상 전력망 전압의 총 고조파 왜곡(THD)을 계산한다.
• 건강한 상태와 고장 상태를 구분하기 위해 기본 전압 진폭을 추정한다.
• 제로순서 전압 성분을 사용하여 지상 고장을 탐지하고 고장 유형 분류를 향상시킨다.
• THD가 사전 정의된 임계값을 초과하고, 전압 진폭 및 제로순서 기준이 동시에 충족될 경우 고장 탐지가 발생한다.
• THD, 전압 크기, 제로순서 행동의 조합을 기반으로 고장 유형(예: L-G, L-L, L-L-G, 3상)을 분류한다.
• 알고리즘은 마이크로그리드 시나리오의 동적 시뮬레이션을 위해 MATLAB/Simulink를 사용하여 구현 및 테스트되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 THD 탐지 기법은 분산 발전기가 통합된 마이크로그리드에서 다양한 고장 유형을 얼마나 효과적으로 식별할 수 있는가?
• RQ2 THD, 전압 진폭 추정, 제로순서 성분의 조합이 고장 탐지 속도와 정확도 향상에 기여하는가?
• RQ3 알고리즘이 전력망 연동 및 고립 마이크로그리드 운영 모드에서 각각 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 이 고조파 기반 접근법을 사용할 경우 고장 탐지 및 식별에 필요한 최소 시간은 얼마인가?
• RQ5 고조파 및 순서 성분을 활용해 대칭 고장과 비대칭 고장을 신뢰성 있게 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 단일선지상, 선간, 이중선지상, 3상 고장을 포함한 모든 시험 고장 유형을 수 밀리초 내에 탐지하였다.
• 사전 설정된 임계값 기반의 THD 모니터링 전략과 실시간 전압 및 제로순서 추정을 조합함으로써 고장 탐지 시간이 최소화되었다.
• 제로순서 성분의 통합은 지상 고장을 탐지하는 데 있어 정확도를 크게 향상시켰으며, 이는 종종 식별이 어려운 고장 유형이다.
• 다양한 운영 조건과 고장 저항 수준에서도 높은 신뢰성과 낮은 오진동작 비율을 유지하였다.
• 시뮬레이션 결과는 알고리즘이 전력망 연동 및 고립 마이크로그리드 모드 모두에서 강건성을 확보하고 있음을 확인하였다.
• 기본 및 고조파 전압 성분에 의존하므로, 다양한 마이크로그리드 구성에 대해 확장성과 적응성이 뛰어나다.