Wide Area Protection of AC Networks Incorporating IBR Connected by HVDC Line

Das moderne Stromnetz durchläuft eine stille Revolution. Jahrzehntelang wurde der Strom in unseren Häusern und die Energie für unsere Städte von massiven, rotierenden Turbinen in Kraftwerken geliefert, die durch Kohle, Gas oder fallendes Wasser angetrieben wurden. Diese Maschinen besitzen eine natürliche physikalische Eigenschaft namens Trägheit; sie sind schwerfällig und ändern ihre Geschwindigkeit nur langsam, was hilft, das Netz stabil zu halten, wenn sich die Nachfrage plötzlich verschiebt oder eine Leitung unterbricht. Heute ersetzen wir diese schweren Maschinen jedoch zunehmend durch erneuerbare Energiequellen wie Windparks und Solaranlagen. Diese Quellen rotieren nicht; sie erzeugen Elektrizität durch Leistungselektronik, die Gleichstrom in den vom Netz verwendeten Wechselstrom umwandelt. Während dieser Übergang für eine sauberere Zukunft unerlässlich ist, entfernt er diese natürliche Stabilität. Wenn ein Fehler auftritt – ein Kurzschluss oder ein Bruch in einem Draht – verhalten sich die neuen elektronischen Systeme sehr anders als die alten rotierenden Maschinen. Sie begrenzen ihren Stromausgang, um sich selbst zu schützen, was es viel schwieriger macht, für traditionelle Sicherheitseinrichtungen genau zu bestimmen, wo das Problem liegt. Wenn das Netz diese Fehler nicht schnell finden und isolieren kann, riskiert das gesamte System einen Zusammenbruch in einen flächendeckenden Blackout.

Forscher der Iran University of Science and Technology haben einen neuen Weg entwickelt, um genau dieses Problem zu lösen, wobei sie sich darauf konzentrieren, wie das Netz zu schützen ist, wenn es von diesen modernen, elektronikbasierten Ressourcen gespeist wird, die über Hochspannungs-Gleichstrom-Verbindungen angeschlossen sind. Ihre Arbeit adresst eine kritische Lücke: Traditionelle Sicherheitssysteme waren für die alten rotierenden Generatoren konzipiert und versagen oft oder zögern, wenn sie mit den kontrollierten, begrenzten Strömen moderner Wechselrichter konfrontiert werden. Das Team schlug eine Methode vor, die wie ein weiträumiges Sicherheitsnetz wirkt und das gesamte Netzwerk betrachtet, anstatt nur einen einzelnen Draht, um herauszufinden, wo ein Fehler aufgetreten ist. Anstatt zu versuchen, die exakte Größe des elektrischen Stroms zu messen, was bei diesen neuen Energiequellen irreführend sein kann, konzentriert sich ihr Ansatz auf die Richtung und die plötzliche Änderung des Stromflusses. Durch die Analyse von Daten aus Sensoren, die an Schlüsselpunkten im gesamten Netz platziert sind, kann das System die exakte Leitung identifizieren, die ausgefallen ist, selbst wenn der Fehler schwach, verborgen oder gleichzeitig mit anderen Systembelastungen auftritt.

Die Forscher testeten ihre Idee mithilfe einer detaillierten Computersimulation eines modifizierten elektrischen Netzwerks, das als IEEE 39-Bus-System bekannt ist und einen großen Offshore-Windpark umfasst, der über eine Hochspannungs-Gleichstrom-Verbindung mit dem Festland verbunden ist. In ihrer Simulation führten sie verschiedene Arten von elektrischen Fehlern ein, darunter Einzeldrahtbrüche, Doppeldraht-Kurzschlüsse und sogar hochohmige Fehler, die notorisch schwer zu entdecken sind. Sie testeten auch Szenarien, in denen das Netz unter Stress stand, wie etwa bei Leistungsschwankungen, bei denen der Energiefluss oszilliert, sowie Situationen, in denen zwei Fehler an unterschiedlichen Orten fast gleichzeitig auftraten. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass ihre Methode in jedem Szenario erfolgreich die korrekte fehlerhafte Leitung identifizieren konnte. Sie unterschied zwischen einem echten Fehler und normalen Systemfluktuationen und funktionierte selbst dann, wenn die elektrischen Signale verrauscht waren oder wenn der Fehlerwiderstand so hoch wie 500 Ohm betrug.

Der Kern ihrer Strategie besteht aus einem zweistufigen Prozess, der der Art und Weise nachempfunden ist, wie ein Mensch ein Suchgebiet eingrenzen würde. Zuerst betrachtet das System die Spannungspegel an jedem Bus, oder jedem Anschlusspunkt, im Netzwerk. Wenn ein Fehler auftritt, sinkt die Spannung an den Büsen, die dem Problem am nächsten liegen, am stärksten ab. Das System ordnet alle Busse nach dem Grad ihres Spannungsabfalls und wählt die drei wahrscheinlichsten Verdächtigen aus. Dieser Schritt reduziert die Menge der zu verarbeitenden Daten drastig, indem er die Aufmerksamkeit nur auf den Bereich lenkt, in dem das Problem am wahrscheinlichsten auftritt. Sob sobald diese drei verdächtigen Busse identifiziert sind, untersucht das System jede Übertragungsleitung, die mit ihnen verbunden ist. Es betrachtet nicht die Gesamtmenge der Elektrizität, die durch die Leitung fließt, sondern vielmehr die plötzliche Änderung des Stroms, die im Moment des Fehlers auftritt.

Um diese Bestimmung vorzunehmen, vergleicht das System das Verhalten des Stroms an beiden Enden jeder Kandidatenleitung. Unter normalen Bedingungen oder wenn ein Fehler in einem anderen Teil des Netzes auftritt, passen die Stromänderungen an den beiden Enden einer Leitung in einer spezifischen Weise nicht zusammen. Wenn jedoch ein Fehler direkt auf der beobachteten Leitung auftritt, zeigen die Stromänderungen an beiden Enden in die gleiche Richtung relativ zum Fehler. Die Forscher erstellten eine Entscheidungskarte, auf der sie diese Änderungen von beiden Enden abtragen. Wenn die Änderungen von beiden Enden in eine spezifische positive Zone auf dieser Karte fallen, erklärt das System diese Leitung zur fehlerhaften Leitung. Diese Methode erwies sich als robust, selbst wenn die Daten unvollständig waren oder wenn das Netz komplexen, überlappenden Störungen ausgesetzt war.

Eine der bedeutendsten Erkenntnisse dieser Studie ist, dass die Methode unabhängig davon funktioniert, ob der Fehler symmetrisch ist, also alle drei Phasen der Stromleitung gleichermaßen betrifft, oder asymmetrisch, also nur eine oder zwei Phasen betrifft. Sie bewältigte auch erfolgreich hochohmige Fehler, die für ältere Schutzsysteme oft unsichtbar sind, weil der Stromabfall zu gering ist, um einen Alarm auszulösen. Darüber hinaus konnte das System zwischen einem gefährlichen Fehler und einer Leistungsschwankung unterscheiden, einem Zustand, in dem das Netz unter Stress steht, aber nicht beschädigt ist. Diese Unterscheidung ist entscheidend, da das unnötige Abschalten einer Leitung während einer Leistungsschwankung genau den Blackout verursachen kann, den das System zu verhindern versucht. Die Simulation zeigte, dass das System den Fehler korrekt identifizierte, die Leistungsschwankung jedoch ignorierte und das Netz stabil hielt.

Die Forscher testeten auch die Fähigkeit des Systems, mit mehreren Fehlern umzugehen, die in schneller Folge auftreten, ein Szenario, das als Cross-Country-Fehler bekannt ist. In ihrer Simulation trat zuerst ein Fehler auf einer Leitung auf, und kurz darauf, nur einen Bruchteil einer Sekunde später, trat ein zweiter Fehler auf einer anderen Leitung auf. Das System war in der Lage, das erste Ereignis zu erkennen, die korrekte Leitung zu identifizieren und dann sofort das zweite Ereignis zu erkennen und die zweite fehlerhafte Leitung ohne Verwechslung zu identifizieren. Diese Fähigkeit, sequentielle und überlappende Ereignisse zu bewältigen, deutet darauf hin, dass die Methode in realen Szenarien, in denen sich mehrere Ausfälle kaskadenartig ausbreiten könnten, äußerst zuverlässig sein könnte. Das System zeigte auch eine Resilienz gegenüber Messrauschen und behielt seine Genauigkeit selbst dann bei, wenn die Daten erhebliche Interferenzen enthielten, was ein häufiges Problem bei der elektrischen Überwachung in der Praxis darstellt.

Die Geschwindigkeit der vorgeschlagenen Methode ist ein weiteres Schlüsselmerkmal. In den Simulationen konnte das System eine Entscheidung in nur 10 Millisekunden treffen. Obwohl dies schnell ist, merken die Forscher an, dass dieses System in einer realen Anwendung wahrscheinlich eher als Backup-Schutz dienen würde, anstatt als primäre Verteidigung. Primäre Schutzsysteme sind darauf ausgelegt, fast instantan zu agieren, innerhalb weniger Zyklen der elektrischen Welle, um Fehler zu isolieren. Das beschriebene weiträumige System würde als Sicherheitsnetz fungieren, das einspringt, falls das primäre System einen Fehler nicht behebt. Diese Verzögerung erlaubt es den primären Systemen, zuerst ihre Arbeit zu erledigen, und nur wenn diese den Fehler übersehen, übernimmt dieses umfassendere, breiter angelegte System, um einen größeren Zusammenbruch zu verhindern. Dieser geschichtete Ansatz stellt sicher, dass das Netz auch dann sicher bleibt, wenn die primären Sensoren oder die Logik durch das komplexe Verhalten moderner erneuerbarer Energien verwirrt werden.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass dieser Ansatz eine praktische Lösung für ein wachsendes Problem im Energiesektor bietet. Da immer mehr Wind- und Solarparks an das Netz angeschlossen werden, werden die traditionellen Methoden zum Schutz elektrischer Leitungen weniger effektiv. Indem der Fokus auf die Richtung der Stromänderungen statt auf deren Betrag gelegt wird und durch die Verwendung einer weiträumigen Sichtweise das Suchgebiet eingegrenzt wird, bietet diese neue Methode einen zuverlässigen Weg, um das Licht an zu halten. Die Ergebnisse, die aus strengen Computersimulationen abgeleitet wurden, legen nahe, dass ein solches System implementiert werden könnte, um das zukünftige Netz zu schützen und sicherzustellen, dass der Übergang zu erneuerbaren Energien nicht zu Lasten der Netzstabilität geht. Die Arbeit hebt hervor, dass sich zwar die Physik des Netzes ändert, die Prinzipien der sorgfältigen Beobachtung und der logischen Deduktion jedoch weiterhin genutzt werden können, um das System sicher und funktionsfähig zu halten.