[논문 리뷰] An Adaptive Overcurrent Protection for Solar-based DC Microgrids Using IEC 61850

Saeed Sanati, Maher A. Azzouz외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 04.

Islanding Detection in Power Systems인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 IEC 61850 프로토콜을 사용하여 태양광 기반 DC 마이크로그리드를 위한 통신 지원형 적응형 과전류 보호 체계를 제안한다. IEC 61850를 통한 실시간 그리드 및 고장 조건 데이터 교환을 통해 동적으로 리레이나 설정을 선택함으로써, 고장 전류 상승 시간이 길고 DC 접지 문제로 인한 도전 과제가 있는 상황에서도 빠르고 선택적인 고장 제거를 달성한다. MATLAB 및 OPAL-RT 시뮬레이션을 통해 검증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 과전류 보호 방식이 겪는 도전 과제, 즉 고장 전류 상승 시간이 길고 접지 문제 등을 해결하기 위해.
• 기존 AC 보호 체계가 부적절한 태양광 기반 DC 마이크로그리드에서 보호의 선택성과 속도를 향상시키기 위해.
• 실시간 조율과 적응형 리레이나 설정을 가능하게 하는 IEC 61850 기반 통신을 활용한 통신 지원 보호 체계를 개발하기 위해.
• 시뮬레이션 및 실시간 테스트를 통해 다양한 고장 조건 하에서 체계의 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 시스템 운영 조건과 고장 유형에 따라 각 과전류 리레이나에 대해 여러 설정 그룹을 정의한다.
• 리레이나 간의 조율은 IEC 61850 기반 통신을 통해 실현되며, 리레이나 간에 시스템 및 고장 데이터를 실시간으로 교환할 수 있다.
• 최적의 설정 그룹 선택은 고장 탐지 및 IEC 61850 프로토콜을 통한 데이터 교환에 의해 유도되며, 이는 적응형 반응을 보장한다.
• 시스템은 MATLAB을 사용한 오프라인 시뮬레이션과 Zenon 소프트웨어를 탑재한 OPAL-RT 실시간 시뮬레이터를 활용하여 실험적 검증을 수행한다.
• 고장 전류 상승 시간과 DC 접지 구성 요소를 명시적으로 모델링하여 실제 마이크로그리드 동역학을 반영한다.
• 표준화된 IEC 61850 메시징을 통해 기존 변전소 자동화 시스템과 통합되어 상호운용성이 보장된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DC 마이크로그리드의 과전류 보호는 어떻게 다양한 고장 및 시스템 조건에 적응시킬 수 있는가?
• RQ2 IEC 61850 기반 통신은 선택성 향상을 위한 동적 리레이나 조율에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 제안된 체계는 DC 마이크로그리드에서 흔히 발생하는 고장 전류 상승 시간이 긴 특성에 어떻게 대응하는가?
• RQ4 고정 설정 대비 적응형 설정 선택은 고장 제거 속도와 선택성 향상에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 실시간 시스템 데이터 기반으로 리레이나 설정을 동적으로 조정함으로써, 높은 선택성을 확보한 채 고장을 성공적으로 제거하였다.
• IEC 61850의 사용은 리레이나 간 신뢰성 있고 빠른 통신을 가능하게 하여 고장 발생 시 신속한 조율을 지원한다.
• 시뮬레이션 및 실시간 테스트를 통해 다양한 운영 조건 하에서도 내부 고장와 외부 고장을 정확히 구분할 수 있음을 확인하였다.
• 기존의 고정 설정 과전류 리레이나 대비 제안된 체계는 특히 고감도 DC 시스템에서 더 빠른 고장 제거 시간을 보였다.
• 고장 전류 상승 시간과 시스템 구성에 기반한 다수의 설정 그룹 통합은 조율 정확도를 크게 향상시켰다.