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Pre-Fault Voltage Discrimination and Time-Domain Protection for Distribution Networks with Inverter-Based Resources

यह शोध पत्र इनवर्टर-आधारित संसाधनों वाले वितरण नेटवर्क में दोष का पता लगाने की गति और विश्वसनीयता को बढ़ाने के लिए टाइम-डोमेन प्रोटेक्शन के साथ एकीकृत एक प्री-फॉल्ट वोल्टेज डिस्क्रिमिनेशन रणनीति प्रस्तावित करता है, जो ऑफलाइन और रियल-टाइम हार्डवेयर-इन-द-लूप सत्यापन के माध्यम से पारंपरिक ओवरकरंट प्रोटेक्शन की सीमाओं को संबोधित करता है।

मूल लेखक: Junyuan Zhao, François Bouffard, Géza Joós

प्रकाशित 2026-06-10

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Junyuan Zhao, François Bouffard, Géza Joós

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि इलेक्ट्रिकल ग्रिड एक विशाल, उच्च गति वाले राजमार्ग प्रणाली की तरह है। दशकों से, इस प्रणाली को सुरक्षित रखने वाले "ट्रैफिक पुलिस" (प्रोटेक्टिव रिले) को समस्याओं के विशिष्ट संकेतों को पहचानने के लिए प्रशिक्षित किया गया है: जैसे कि यातायात के आयतन में भारी उछाल (उच्च करंट) या गति का एक विशिष्ट पैटर्न (फ्रीक्वेंसी परिवर्तन)।

हालाँकि, यह राजमार्ग बदल रहा है। हम इसमें अधिक से अधिक "स्मार्ट कारें" (इन्वर्टर-बेस्ड रिसोर्सेज, या IBRs, जैसे सोलर पैनल और बैटरी) जोड़ रहे हैं। पुराने जमाने के पावर प्लांट की तरह नहीं, जो भारी ट्रकों की तरह होते हैं और दुर्घटना होने पर जोर से दहाड़ने और पीछे धकेलने में सक्षम होते हैं, ये स्मार्ट कारें बहुत कोमल होती हैं। यदि कोई दुर्घटना होती है, तो वे ट्रैफिक पुलिस को संकेत देने के लिए ऊर्जा का बड़ा उछाल पैदा नहीं करती हैं। वे लगभग कोई हलचल भी नहीं दिखातीं।

समस्या:
चूँकि ये स्मार्ट कारें एक बड़ा "उछाल" पैदा नहीं करती हैं, इसलिए पुराने ट्रैफिक पुलिस दुर्घटनाओं को देख नहीं पाते। उन्हें लग सकता है कि सब कुछ ठीक है, जबकि वास्तव में एक शॉर्ट सर्किट (एक दुर्घटना) हो चुका होता है। यह खतरनाक है क्योंकि व्यापक ब्लैकआउट को रोकने के लिए सिस्टम को तुरंत प्रतिक्रिया देने की आवश्यकता होती है।

समाधान: एक नए प्रकार का ट्रैफिक पुलिस
इस शोध पत्र के लेखक एक नई रणनीति प्रस्तावित करते हैं जिसे प्री-फॉल्ट वोल्टेज डिस्क्रिमिनेशन (PVD) और टाइम-डोमेन प्रोटेक्शन कहा जाता है। यह कैसे काम करता है, इसे सरल उपमाओं का उपयोग करके यहाँ समझाया गया है:

1. "दहाड़" के बजाय "चटक" (Snap) को सुनना

पारंपरिक सुरक्षा प्रणाली एक बड़े "दहाड़" (करंट के बड़े उछाल) का इंतज़ार करती है। नया तरीका ट्रैवलिंग वेव के "चटक" (snap) को सुनता है।

उपमा: एक लंबी रस्सी की कल्पना करें। यदि आप इसे अचानक झटका देते हैं, तो एक लहर रस्सी में नीचे की ओर चलती है। भले ही आप कोमल हों, लेकिन जिस क्षण आप झटका देते हैं, रस्सी का आकार तुरंत बदल जाता है।
विज्ञान: जब कोई फॉल्ट (खराबी) होता है, तो यह वोल्टेज परिवर्तन की एक छोटी, अत्यंत तीव्र "लहर" बनाता है जो प्रकाश की गति से चलती है। नया एल्गोरिदम लहर के बड़े होने का इंतज़ार नहीं करता; यह देखता है कि लहर कितनी तेज़ी से शुरू होती है (यानी वोल्टेज कितनी तेज़ी से बदल रहा है - "चटक")। यह करंट के बढ़ने का इंतज़ार करने के बजाय माइक्रोसेकंड में फॉल्ट का पता लगा सकता है।

2. "पहले और बाद" की जाँच (प्री-फॉल्ट वोल्टेज)

सबसे बड़ी चुनौती यह है कि कभी-कभी एक सामान्य घटना (जैसे लाइट चालू करने के लिए स्विच दबाना या ट्रांसफार्मर को चार्ज करना) थोड़ी बहुत फॉल्ट जैसी लग सकती है। एल्गोरिदम को "गलत अलार्म" और वास्तविक दुर्घटना के बीच अंतर करने की आवश्यकता होती है।

उपमा: एक सुरक्षा गार्ड की कल्पना करें जो किसी व्यक्ति का आईडी (ID) चेक कर रहा है।
- पुराना तरीका: "यदि तुम डरावने दिखते हो (बड़ा करंट), तो मैं तुम्हें रोकता हूँ।" (यदि घुसपैठिया छोटा है, तो यह विफल हो जाता है)।
- नया तरीका: "मैं तुम्हारे प्रवेश करने से पहले तुम्हारा आईडी चेक करता हूँ। यदि तुम एक सामान्य व्यक्ति थे (सामान्य वोल्टेज) और फिर अचानक अपने बेसलाइन की तुलना में व्यवहार में भारी बदलाव आया, तो मुझे पता चल जाता है कि कुछ गलत है।"
विज्ञान: एल्गोरिदम "चटक" (फॉल्ट वेव) के आकार की तुलना उस वोल्टेज से करता है जो घटना के ठीक पहले मौजूद था।
- यदि "चटक" बैकग्राउंड की तुलना में बहुत बड़ा है, तो यह एक फॉल्ट है।
- यदि "चटक" छोटा है, तो यह केवल एक सामान्य स्विच फ्लिप हो सकता है। इसके बाद सिस्टम एक बहुत ही संक्षिप्त देरी (delay) लागू करता है ताकि दोबारा जाँच की जा सके, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि वह किसी हानिरहित घटना पर घबराकर प्रतिक्रिया न दे।

3. "ट्रांसफॉर्मर इनरश" का जाल

एक विशिष्ट "गलत अलार्म" तब होता है जब एक ट्रांसफार्मर (एक उपकरण जो वोल्टेज बदलता है) चालू होता है। यह ऊर्जा का एक बड़ा विस्फोट सोख लेता है जो शॉर्ट सर्किट जैसा दिखता है।

उपमा: एक वैक्यूम क्लीनर की कल्पना करें। जब आप इसे पहली बार चालू करते हैं, तो मोटर के घूमने के दौरान यह एक तेज़, अराजक शोर पैदा करता है। एक फायर अलार्म इसे आग समझकर गलती कर सकता है।
समाधान: नया एल्गोरिदम एक गणितीय "पैटर्न मैच" का उपयोग करता है। यह जानता है कि एक वास्तविक फॉल्ट एक सुचारू, अनुमानित इलेक्ट्रिकल कर्व बनाता है। ट्रांसफार्मर चालू होने से एक अस्त-व्यस्त, "नॉन-लीनियर" कर्व बनता है (जैसे वैक्यूम का अराजक शोर)। यह जाँचकर कि क्या इलेक्ट्रिकल सिग्नल एक सुचारू पैटर्न में फिट बैठता है, सिस्टम ट्रांसफार्मर स्टार्टअप को अनदेखा कर देता है और केवल वास्तविक फॉल्ट के लिए ही ट्रिप होता है।

4. सुरक्षा जाल (सेफ्टी नेट)

क्या होगा यदि फॉल्ट ठीक उसी समय होता है जब वोल्टेज शून्य (सबसे "शांत" क्षण) पर होता है? "चटक" इतना धीमा हो सकता है कि सुनाई न दे।

उपमा: यदि एक कार दुर्घटना एक साउंडप्रूफ कमरे में होती है, तो शायद आप दुर्घटना की आवाज़ नहीं सुन पाएंगे।
समाधान: सिस्टम के पास एक बैकअप योजना है। यदि "चटक" डिटेक्टर शांत रहता है, तो यह पारंपरिक "ओवरकरेंट" चेक (बड़े उछाल की तलाश) पर वापस चला जाता है। हालाँकि यह धीमा है, लेकिन यह सुनिश्चित करता है कि कोई भी फॉल्ट छूटे नहीं, यहाँ तक कि सबसे शांत वाले भी।

परिणाम

लेखकों ने इस नए "ट्रैफिक पुलिस" का परीक्षण दो तरीकों से किया:

कंप्यूटर सिमुलेशन: उन्होंने सोलर पैनल और बैटरी के साथ एक वर्चुअल पावर ग्रिड बनाया और इसमें क्रैश, स्विच फ्लिप और ट्रांसफार्मर स्टार्टअप का अनुकरण किया। नए सिस्टम ने हर क्रैश को तुरंत पकड़ा और हर गलत अलार्म को अनदेखा कर दिया।
हार्डवेयर-इन-द-लूप (C-HIL): उन्होंने अपने वास्तविक कंप्यूटर कोड को एक रियल-टाइम सिम्युलेटर से जोड़ा जो एक भौतिक पावर ग्रिड की तरह कार्य करता है। वास्तविक हार्डवेयर की सीमाओं के बावजूद, सिस्टम मिलीसेकंड में प्रतिक्रिया करता है—जो पारंपरिक तरीकों की तुलना में बहुत तेज़ है।

संक्षेप में:
यह शोध पत्र सोलर और बैटरी सिस्टम से भरे पावर ग्रिड को सुरक्षित रखने का एक स्मार्ट तरीका प्रस्तुत करता है। उन "दहाड़ों" का इंतज़ार करने के बजाय जो ये नए सिस्टम पैदा नहीं करते, नया तरीका फॉल्ट वेव के सूक्ष्म, तात्कालिक "चटक" को सुनता है। यह गलत अलार्म को अनदेखा करने के लिए "पहले और बाद" की तुलना का उपयोग करता है और ट्रांसफार्मर स्टार्टअप को अनदेखा करने के लिए पैटर्न चेक का उपयोग करता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि ग्रिड बिना अनावश्यक रूप से ट्रिप हुए सुरक्षित और तेज़ बना रहे।

तकनीकी सारांश: इनवर्टर-आधारित संसाधनों (IBRs) वाले वितरण नेटवर्क के लिए प्री-फॉल्ट वोल्टेज डिस्क्रिमिनेशन और टाइम-डोमेन प्रोटेक्शन

समस्या विवरण
वितरण नेटवर्क में इनवर्टर-आधारित संसाधनों (IBRs) का बढ़ता एकीकरण पारंपरिक फेजर-आधारित ओवरकरंट प्रोटेक्शन (जैसे ANSI 51) के लिए एक महत्वपूर्ण चुनौती पेश करता है। सिंक्रोनस मशीनों के विपरीत, IBRs में उच्च शॉर्ट-सर्किट करंट उत्पन्न करने की क्षमता नहीं होती है, जिसके परिणामस्वरूप अक्सर फॉल्ट करंट इतने कम होते हैं कि वे पारंपरिक ओवरकरंट रिले को ट्रिगर करने में अपर्याप्त होते हैं। इसके अलावा, पारंपरिक फ्रीक्वेंसी-डोमेन रिले को सटीक सिग्नल अनुमान के लिए एक से डेढ़ चक्र (cycle) के डेटा विंडो की आवश्यकता होती है, जिससे डिटेक्शन में देरी होती है जो आधुनिक ग्रिड आवश्यकताओं के लिए उप-इष्टतम (suboptimal) है। हालांकि ट्रांसमिशन सिस्टम के लिए ट्रैवलिंग वेव्स (TWs) का उपयोग करते हुए टाइम-डोमेन प्रोटेक्शन का अन्वेषण किया गया है, लेकिन वितरण नेटवर्क में इसका अनुप्रयोग दो मुख्य कारकों द्वारा बाधित है: निम्न वोल्टेज स्तर (जिसके परिणामस्वरूप छोटे TW आयाम होते हैं) और सामान्य स्विचिंग संचालन तथा ट्रांसफार्मर इनरश (inrush) करंट द्वारा उत्पन्न होने वाले TWs से फॉल्ट-प्रेरित TWs के बीच अंतर करने में कठिनाई।

कार्यप्रणाली
यह शोध पत्र एक प्री-फॉल्ट वोल्टेज डिस्क्रिमिनेशन (PVD) रणनीति पर केंद्रित एक टाइम-डोमेन प्रोटेक्शन एल्गोरिदम प्रस्तावित करता है। कार्यप्रणाली फॉल्ट विकास को तीन चरणों में विभाजित करती है: पहले फॉल्ट वेवफ्रंट का आगमन, TWs का परावर्तन (reflection), और स्टेडी-स्टेट लम्पड पैरामीटर व्यवहार में संक्रमण।

मुख्य एल्गोरिदम तीन-चरणीय प्रक्रिया के माध्यम से संचालित होता है:

ट्रैवलिंग वेव डिटेक्शन (चरण I): केवल आयाम थ्रेशोल्ड (amplitude thresholds) पर निर्भर रहने के बजाय, जो कम परिमाण वाले TWs के लिए अविश्वसनीय हो सकता है, एल्गोरिदम वोल्टेज की परिवर्तन दर ($dV/dt$) की निगरानी करके एक TW के आगमन का पता लगाता है। एक TW को तब फ्लैग किया जाता है यदि वोल्टेज में तात्कालिक परिवर्तन स्टेडी-स्टेट ऑपरेशन के दौरान अधिकतम ऐतिहासिक $dV/dt$ से अधिक होता है। यह दृष्टिकोण पूर्ण TW आयाम से स्वतंत्र है।
नॉन-स्विचिंग इवेंट्स के लिए फास्ट ट्रिपिंग (चरण II): एक बार TW का पता चलने के बाद, एल्गोरिदम TW आयाम ( $V_{TW}$ $V_{T W}$ ) और प्री-फॉल्ट वोल्टेज ( $V(t-1)$ $V (t - 1)$ ) के अनुपात की गणना करता है, जिसे ट्रैवलिंग वेव प्री-फॉल्ट वोल्टेज अनुपात (TWPV कहा जाता है।
- यदि TWPV उच्च है (आमतौर पर $\ge 1$ ) और TW की पोलैरिटी प्री-फॉल्ट वोल्टेज के विपरीत है, तो इस घटना को फॉल्ट के रूप में वर्गीकृत किया जाता है, और तुरंत ट्रिप सिग्नल जारी किया जाता है।
- यदि प्री-फॉल्ट वोल्टेज शून्य के करीब है (निम्न TWPV परिदृश्य), तो एल्गोरिदम संख्यात्मक त्रुटियों या छोटे सिग्नल शोर के कारण होने वाले गलत ट्रिपिंग से बचने के लिए एक वेरिफिकेशन डिले लागू करता है।
इनरश और स्विचिंग डिस्क्रिमिनेशन (चरण III): उन घटनाओं के लिए जो प्रारंभिक TW डिटेक्शन (चरण I) को ट्रिगर करती हैं लेकिन TWPV मानदंडों (चरण II) में विफल रहती हैं, एल्गोरिदम ट्रांसफार्मर इनरश और फॉल्ट के बीच अंतर करने के लिए एक नॉन-लिनियरिटी चेक करता है।
- एल्गोरिदम एक संक्षिप्त समय विंडो ( $\Delta \tau_3$ ) पर लीस्ट-स्क्वायर्स फिट का उपयोग करके अपेक्षित लीनियर RL सर्किट की करंट प्रतिक्रिया को मॉडल करता है।
- यह मापे गए करंट और अनुमानित लीनियर मॉडल के बीच सम ऑफ स्क्वेर्ड एरर्स (SSE) की गणना करता है।
- ट्रांसफार्मर इनरश करंट, जो अत्यधिक नॉन-लीनियर होते हैं, लीनियर रिस्पॉन्स की तुलना में काफी अधिक SSE उत्पन्न करते हैं। यदि SSE एक थ्रेशोल्ड से नीचे है, तो घटना की पुष्टि एक फॉल्ट के रूप में की जाती है; अन्यथा, इसे इनरश या स्विचिंग इवेंट के रूप में खारिज कर दिया जाता है।
- एक बैकअप ओवरकरंट सुपरविजन तत्व शामिल किया गया है ताकि उन मामलों में जहाँ TW डिटेक्शन विफल हो जाता है (जैसे, वोल्टेज जीरो-क्रॉसिंग पर शुरू होने वाले फॉल्ट), वहां काम आ सके (हालांकि शोध पत्र नोट करता है कि सटीक जीरो-वोल्टेज फॉल्ट व्यावहारिक रूप से असंभव हैं)।

प्रमुख योगदान

प्री-फॉल्ट वोल्टेज डिस्क्रिमिनेशन (PVD): यह शोध पत्र फॉल्ट डिटेक्शन (via $dV/dt$) को फॉल्ट डिस्क्रिमिनेशन (via TWPV) से अलग करने की रणनीति के रूप में PVD को पेश करता है। यह कम प्री-फॉल्ट वोल्टेज या IBR सीमाओं के कारण छोटे TW आयामों के बावजूद तीव्र फॉल्ट डिटेक्शन की अनुमति देता है।
टाइम-डोमेन इनरश डिस्क्रिमिनेशन: लेखक हार्मोनिक विश्लेषण के लिए आवश्यक लंबे डेटा विंडो की आवश्यकता के बिना, SSE विश्लेषण के माध्यम से ट्रांसफार्मर इनरश से फॉल्ट को अलग करने के लिए एक टाइम-डोमेन विधि प्रस्तावित करते हैं।
एकीकृत ढांचा (Unified Framework): यह दृष्टिकोण विभिन्न समय अंतराल (प्रारंभिक वेवफ्रंट से लेकर स्टेडी स्टेट तक) में फॉल्ट विश्लेषण को एकीकृत करता है ताकि लाइन इम्पीडेंस जैसे विशिष्ट नेटवर्क मापदंडों के पूर्व ज्ञान की आवश्यकता के बिना गति और सुरक्षा दोनों को बढ़ाया जा सके।

परिणाम
प्रस्तावित एल्गोरिदम को दो प्राथमिक विधियों के माध्यम से मान्य किया गया था:

ऑफलाइन सिमुलेशन (EMTP): परीक्षण ग्रिड-कनेक्टेड PV इकाइयों के साथ एक संशोधित IEEE 34-नोड टेस्ट फीडर पर किए गए थे। एल्गोरिदम ने सभी सिम्युलेटेड फॉल्ट प्रकारों (उच्च-प्रतिरोध और निम्न-कोण फॉल्ट सहित) को कुछ माइक्रोसेकंड से लेकर कुछ मिलीसेकंड के भीतर सफलतापूर्वक पता लगाया। महत्वपूर्ण रूप से, इसने फीडर एनर्जाइजेशन/डी-एनर्जाइजेशन और PV ट्रांसफार्मर एनर्जाइजेशन (इनरश) सहित सभी सामान्य स्विचिंग घटनाओं को सही ढंग से खारिज किया, जो उच्च सुरक्षा प्रदर्शित करता है।
कंट्रोलर हार्डवेयर-इन-द-लूप (C-HIL) रियल-टाइम सिमुलेशन: एल्गोरिदम को बैटरी स्टोरेज सिस्टम (GFM मोड) के साथ एक आइसोलेटेड माइक्रोग्रिड के रियल-टाइम सिम्युलेटर से जुड़े एक कंट्रोल कार्ड पर लागू किया गया। 90.9 kHz की सैंपलिंग दर (व्यावसायिक ट्रांसमिशन रिले से कम) का उपयोग करते हुए, सिस्टम ने प्रदर्शित किया:
- डिपेंडेबिलिटी (Dependability): $4^\circ$ जितनी कम इनसेप्शन एंगल वाली फॉल्ट्स को भी 10 ms (ओवरकरंट बैकअप के माध्यम से) या उससे तेज़ (TW तत्वों के माध्यम से) पता लगाया गया।
- सुरक्षा (Security): ग्रिड-कनेक्शन घटनाओं और लोड परिवर्तनों सहित सामान्य स्विचिंग संचालन ने गलत ट्रिपिंग को ट्रिगर नहीं किया।
- गति (Speed): प्रस्तावित विधि ने एक सिम्युलेटेड ANSI 51 इनवर्स टाइम ओवरकरंट रिले के प्रदर्शन को काफी पीछे छोड़ दिया, जिसे डिटेक्शन के लिए 25 ms से 120 ms की आवश्यकता थी, जबकि प्रस्तावित विधि ने हाई-एंगल फॉल्ट्स के लिए 1 ms से कम और लो-एंगल फॉल्ट्स के लिए 10 ms से कम में फॉल्ट का पता लगा लिया।

महत्व
शोध पत्र का दावा है कि प्रस्तावित PVD रणनीति और टाइम-डोमेन एल्गोरिदम IBR-समृद्ध वितरण नेटवर्क की सुरक्षा के महत्वपूर्ण अंतर को संबोधित करते हैं। $dV/dt$ का लाभ उठाकर, यह विधि IBRs के कारण होने वाले कम फॉल्ट करंट की सीमा को पार करती है। हार्मोनिक विश्लेषण की विलंबता (latency) के बिना फॉल्ट से ट्रांसफार्मर इनरश को अलग करने के लिए एक मजबूत तंत्र प्रदान करने हेतु टाइम-डो डेरिवेशन नॉन-लिनियरिटी चेक का एकीकरण प्रदान करता है। लेखक दावा करते हैं कि यह दृष्टिकोण पारंपरिक ओवरकरंट प्रोटेक्शन का एक तेज़, अधिक सुरक्षित और विश्वसनीय विकल्प प्रदान करता है, जिसे ऑफलाइन और रियल-टाइम हार्डवेयर सिमुलेशन दोनों के माध्यम से मान्य किया गया है। भविष्य के कार्य को मल्टी-एंडेड और मेश नेटवर्क तक विस्तारित करने के रूप में पहचाना गया है।

1. "दहाड़" के बजाय "चटक" (Snap) को सुनना

2. "पहले और बाद" की जाँच (प्री-फॉल्ट वोल्टेज)

3. "ट्रांसफॉर्मर इनरश" का जाल

4. सुरक्षा जाल (सेफ्टी नेट)

परिणाम

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