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Fast detection method for AC short-circuit faults in shipboard power systems based on decoupled double synchronous rotating frame

यह शोध पत्र डिकपल्ड डबल सिंक्रोनस रोटेटिंग फ्रेम (DDSRF) का उपयोग करके जहाज आधारित विद्युत प्रणालियों में AC शॉर्ट-सर्किट दोषों के लिए एक तीव्र पहचान विधि प्रस्तावित करता है ताकि वोल्टेज अनुक्रमों को सटीक रूप से अलग किया जा सके और एक दोष अवस्था चर (fault state variable) का निर्माण किया जा सके, जिससे पारंपरिक RMS विधियों की तुलना में गति में 50% से अधिक सुधार के साथ 2 ms से कम का पहचान समय प्राप्त किया जा सके।

मूल लेखक: Shengbin Zhuang, Xianfeng Mao, Zerong Zhou, Hongxing Chen

प्रकाशित 2026-07-09

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Shengbin Zhuang, Xianfeng Mao, Zerong Zhou, Hongxing Chen

मूल पेपर CC BY 4.0 (https://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

यहाँ एक शोध पत्र का सरल भाषा और रचनात्मक उपमाओं (analogies) के माध्यम से स्पष्टीकरण दिया गया है।

समस्या: एक जहाज की बिजली प्रणाली एक "नाजुक घर" की तरह है

कल्पना कीजिए कि एक जहाज की विद्युत प्रणाली समुद्र के बीच में तैरते हुए एक हाई-टेक, अलग-थलग घर की तरह है। एक शहर के पावर ग्रिड (जो बहुत विशाल और भारी होता है) के विपरीत, इस जहाज की बिजली प्रणाली छोटी, हल्की है और इसमें बहुत कम "जड़त्व" (inertia/momentum) है।

इस घर में, बिजली बैटरी, सौर पैनलों और जनरेटरों से आती है, जो तारों के एक जटिल जाल से जुड़ी होती है। इस घर का सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा इन्वर्टर (inverter) है, जो एक अनुवादक (translator) की तरह काम करता है, यानी यह DC पावर (बैटरी से) को AC पावर (जहाज के मोटरों और लाइटों के लिए) में बदलता है।

खतरा: यदि कोई शॉर्ट सर्किट होता है (तारों में "चिंगारी" या "शॉर्ट"), तो वोल्टेज तुरंत गिर जाता है, और करंट (बिजली का प्रवाह) खतरनाक रूप से बढ़ जाता है। एक छोटे जहाज के सिस्टम में, यह इतनी तेजी से हो सकता है कि पारंपरिक सुरक्षा स्विचों के प्रतिक्रिया देने से पहले ही यह उपकरणों को नुकसान पहुँचा सकता है या पूरे जहाज को बंद कर सकता है।

पुराना तरीका (एक "धीमा पहरेदार"):
दोषों (faults) का पता लगाने के तरीके पारंपरिक रूप से एक ऐसे पहरेदार की तरह हैं जो हर कुछ सेकंड में वोल्टेज और करंट की जाँच करता है या लहर के एक पूरे चक्र (cycle) के गुजरने का इंतज़ार करता है। जब तक यह पहरेदार कहता है, "हे, कोई समस्या है!", तब तक नुकसान हो चुका होता है। वे बहुत धीमे होते हैं और सामान्य उतार-चढ़ाव (जैसे कि मोटर शुरू होना या सौर पैनलों पर बादलों का आना) से आसानी से भ्रमित हो जाते हैं।

नया समाधान: "डिकपल्ड डबल सिंक्रोनस रोटेटिंग फ्रेम" (DDSRF)

लेखक एक नया, सुपर-फास्ट डिटेक्शन मेथड प्रस्तावित करते हैं। इसे समझने के लिए, आइए दो घूमते हुए हिंडोले (merry-go-rounds) की उपमा का उपयोग करें।

दो हिंडोले:
कल्पना कीजिए कि तारों में बिजली एक नृत्य की तरह है। कभी-कभी यह नृत्य एकदम सही (symmetrical) होता है, और कभी-कभी अव्यवस्थित (asymmetrical) होता है।

नया तरीका दो विशेष समन्वय प्रणालियों (coordinate systems/हिंडोलों) का उपयोग करता है जो विपरीत दिशाओं में घूम रहे हैं।
एक हिंडोला बिजली के "अच्छे" हिस्से (Positive Sequence) को ट्रैक करने के लिए घूमता है।
दूसरा हिंडोला "बुरे" या अव्यवस्थित हिस्से (Negative Sequence) को ट्रैक करने के लिए घूमता है।
क्योंकि वे विपरीत दिशाओं में घूमते हैं, वे बिना भ्रमित हुए अच्छे और बुरे को तुरंत अलग कर सकते हैं। यही वह "डिकपल्ड" (Decoupled) हिस्सा है।

"फॉल्ट स्टेट वेरिएबल" (FSV): जहाज का "तनाव मीटर" (Stress Meter)
एक बार जब सिस्टम अच्छी और बुरी बिजली को अलग कर देता है, तो यह एक एकल संख्या बनाता है जिसे फॉल्ट स्टेट वेरिएबल (FSV) कहा जाता है। इसे जहाज की बिजली प्रणाली के लिए एक "तनाव मीटर" (Stress Meter) के रूप में समझें।

सामान्य संचालन: तनाव मीटर 0 पर रहता है। वोल्टेज और करंट संतुलित होते हैं।
व्यवधान (जैसे बादल या मोटर शुरू होना): मीटर थोड़ा ऊपर या नीचे हिल सकता है, लेकिन यह जल्दी से 0 पर वापस आ जाता है। यह जानता है कि यह कोई आपदा नहीं है।
शॉर्ट सर्किट: जैसे ही शॉर्ट सर्किट होता है, वोल्टेज गिर जाता है (जैसे फर्श का अचानक गायब हो जाना) और करंट विस्फोट की तरह बढ़ जाता है (जैसे बाढ़ आना)। तनाव मीटर (FSV) तुरंत ऊपर की ओर भागता है और ऊँचा बना रहता है।

व्यवहार में यह कैसे काम करता है

शोधकर्ताओं ने इस पद्धति का परीक्षण करने के लिए जहाज की बिजली प्रणाली (1kW इन्वर्टर) का एक छोटा मॉडल बनाया।

परीक्षण: उन्होंने विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रिकल शॉर्ट्स (जैसे एक तार का दूसरे तार से छूना, या एक तार का जमीन से छूना) का अनुकरण (simulate) किया।
परिणाम:
- पुराना तरीका (RMS): इसे यह समझने में 8 से 22 मिलीसेकंड का समय लगा कि कुछ गलत हुआ है। यह मानव द्वारा 10 बार पलक झपकने के बराबर है।
- नया तरीका (FSV): इसने 2 मिलीसेकंड से भी कम में दोष का पता लगाया, और कुछ मामलों में, यह 0.05 मिलीसेकंड जितना तेज़ था। यह पुराने तरीके की तुलना में लगभग 50 गुना तेज़ है।

यह जहाजों के लिए क्यों महत्वपूर्ण है

लेखक दावा करते हैं कि यह गति जहाजों के लिए गेम-चेंजर है क्योंकि:

गति ही सुरक्षा है: एक छोटे जहाज के सिस्टम में, एक दोष पलक झपकते ही उपकरणों को नष्ट कर सकता है। यह नया तरीका एक रिफ्लेक्स (reflex) की तरह काम करता है, जो समस्या के चरम (peak) तक पहुँचने से पहले ही उसे पकड़ लेता है।
कोई गलत अलार्म नहीं: सिस्टम इतना स्मार्ट है कि यह सामान्य बदलावों, जैसे मोटर शुरू होने या सूरज के बादलों के पीछे छिपने, को अनदेखा कर देता है। यह केवल तभी "मदद!" चिल्लाता है जब वास्तव में कोई शॉर्ट सर्किट होता है।
बहुमुखी प्रतिभा: यह सभी प्रकार के शॉर्ट सर्किट के लिए काम करता है, चाहे वह तीन-फेज की गड़बड़ी हो या एक तार का जमीन से छूना।

मुख्य निष्कर्ष

लेखकों ने जहाज की बिजली प्रणालियों के लिए एक "सुपर-स्पीड रडार" बनाया है। अच्छी और बुरी बिजली को अलग करने के लिए दो घूमते हुए संदर्भ ढांचों (reference frames) का उपयोग करके, उन्होंने एक "तनाव मीटर" बनाया है जो पलक झपकते ही (माइक्रोसेकंड में) खतरनाक शॉर्ट सर्किट का पता लगा सकता है। यह जहाज की सुरक्षा प्रणालियों को वास्तविक नुकसान होने से पहले ही बिजली काटने और समस्या को अलग करने की अनुमति देता है, जिससे जहाज को कठिन विद्युत परिस्थितियों में भी सुरक्षित रखा जा सके।

तकनीकी सारांश: डिकपल्ड डबल सिंक्रोनस रोटेटिंग फ्रेम पर आधारित जहाज के पावर सिस्टम में AC शॉर्ट-सर्किट दोषों का तीव्र पता लगाने की विधि

समस्या विवरण
जहाजी पावर सिस्टम विकसित होकर सीमित क्षमता और कम जड़त्व (low inertia) वाले आइसोलेटेड माइक्रोग्रिड में बदल रहे हैं, जिनमें फोटोवोल्टिक और ऊर्जा भंडारण जैसे नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों का एकीकरण तेजी से बढ़ रहा है। इस वातावरण में, थ्री-फेज टू-लेवल ग्रिड-कनेक्टेड इन्वर्टर एक महत्वपूर्ण इंटरफेस है। हालांकि, पारंपरिक शॉर्ट-सर्किट दोष पहचान विधियाँ, जो स्थिर-अवस्था (steady-state) पावर-फ्रीक्वेंसी विद्युत मात्राओं (जैसे RMS मान) पर निर्भर करती हैं, धीमी परिचालन गति और कमजोर एंटी-इंटरफेरेंस क्षमताओं से ग्रस्त हैं। ये सीमाएँ आधुनिक जहाज प्रणालियों में आवश्यक तीव्र गति की आवश्यकताओं को पूरा करने में कठिनाई पैदा करती हैं, विशेष रूप से प्रोपल्शन और दैनिक भार द्वारा उत्पन्न जटिल क्षणिक स्थितियों (transient conditions) के संदर्भ में, जिससे उपकरणों के नुकसान, कैस्केडिंग विफलताओं और कुल शक्ति हानि को रोका जा सके।

कार्यप्रणाली (Methodology)
यह शोध पत्र डिकपल्ड डबल सिंक्रोनस रेफरेंस फ्रेम (DDSRF) पर आधारित AC शॉर्ट-सर्किट दोषों के लिए एक तीव्र पहचान विधि प्रस्तावित करता है। कार्यप्रणाली निम्नलिखित चरणों के माध्यम से आगे बढ़ती है:

सिस्टम मॉडलिंग और दोष विश्लेषण: एक थ्री-फेज ग्रिड-कनेक्टेड इन्वर्टर का समतुल्य सर्किट मॉडल स्थापित किया गया है। लेखक सममित (symmetrical) और असममित (asymmetrical) दोषों दोनों के लिए दोष प्रतिक्रिया विशेषताओं का विश्लेषण करते हैं। पारंपरिक प्रणालियों के विपरीत जहाँ असममित दोष मुख्य रूप से प्रभावित चरण को प्रभावित करते हैं, इन्वर्टर की d- और q-एक्सिस डिकपलिंग कंट्रोल रणनीति के कारण दोष की समरूपता के बावजूद तीनों चरणों के करंट एम्प्लीट्यूड में एक साथ वृद्धि होती है।
वोल्टेज वेक्टर निर्माण: DDSRF का उपयोग विपरीत दिशाओं में घूमने वाले दो सिंक्रोनस रोटेटिंग कोऑर्डिनेट सिस्टम बनाने के लिए किया जाता है। यह असंतुलित ग्रिड स्थितियों के तहत भी पॉजिटिव-सीक्वेंस और नेगेटिव-सीक्वेंस वोल्टेज घटकों को सटीक रूप से अलग करने की अनुमति देता है।
फॉल्ट स्टेट वेरिएबल (FSV) निर्माण: एक फॉल्ट स्टेट वेरिएबल (FSV) को परिभाषित किया गया है जो पॉजिटिव और नेगेटिव सीक्वेंस विशेषताओं को एकीकृत करता है। FSV एक सामान्यीकृत स्केलर टाइम-वेरिंग वेक्टर है जिसे नॉर्मलाइज्ड करंट रेशियो और नॉर्मलाइज्ड वोल्टेज रेशियो के अंतर के रूप में गणना की जाती है:
$FSV = k_f \frac{i_m}{I_{pv}} - \frac{u_m}{U_N}$
जहाँ $i_m$ और $u_m$ तात्कालिक करंट और वोल्टेज एम्प्लीट्यूड हैं, $I_{pv}$ और $U_N$ रेटेड मान हैं, और $k_f$ एक कंपनसेशन गुणांक है।
डिटेक्शन मानदंड: सामान्य संचालन या गैर-दोष गड़बड़ी (जैसे PV उतार-चढ़ाव) के तहत, FSV शून्य के करीब रहता है। AC शॉर्ट-सर्किट दोष के दौरान, वोल्टेज गिर जाता है और करंट बढ़ जाता है, जिससे FSV शून्य से काफी ऊपर चला जाता है। दोषों को गड़बड़ियों से अलग करने के लिए एक थ्रेशोल्ड ( $FSV_{ac} = 0.15$ ) निर्धारित किया गया है।

प्रमुख योगदान

नवीन डिटेक्शन मेट्रिक: फॉल्ट स्टेट वेरिएबल (FSV) का परिचय, जो पॉजिटिव और नेगेटिव सीक्वेंस विशेषताओं को एक एकल स्केलर मान में मिलाता है, जिससे चरण-दर-चरण विश्लेषण के बिना तीव्र पहचान संभव होती है।
डिकपल्ड डबल सिंक्रोनस रेफरेंस फ्रेम का अनुप्रयोग: जहाज के इन्वर्टर में दोष पहचान के लिए विशेष रूप से DDSRF का अनुप्रयोग, जो दोनों सममित और असममित दोषों को प्रभावी ढंग से संभालने के लिए सीक्वेंस घटकों को डिकपल करने की इसकी क्षमता का लाभ उठाता है।
गड़बड़ियों के प्रति मजबूती (Robustness): यह विधि फोटोवोल्टिक आउटपुट उतार-चढ़ाव और मोटर स्टार्टिंग जैसी सामान्य गैर-दोष गड़बड़ियों के प्रति असंवेदनशील होने के लिए डिज़ाइन की गई है, जो पारंपरिक RMS-आधारित विधियों में गलत सकारात्मक (false positives) परिणामों को ट्रिगर कर सकती हैं।

प्रायोगिक परिणाम
विधि को एक 1 kW थ्री-फेज टू-लेवल ग्रिड-कनेक्टेड इन्वर्टर प्रोटोटाइप और सिमुलेशन मॉडल का उपयोग करके मान्य किया गया।

डिटेक्शन स्पीड: प्रस्तावित विधि ने विभिन्न प्रकार के दोषों के लिए 2 ms से कम का डिटेक्शन समय प्राप्त किया। विशेष रूप से, थ्री-फेज शॉर्ट सर्किट के लिए 0.34 ms, सिंगल-फेज ग्राउंड फॉल्ट के लिए 1.61 ms, और टू-फेज ग्राउंड और टू-फेज शॉर्ट-सर्किट दोषों के लिए 0.05 ms जितना कम डिटेक्शन विलंब दर्ज किया गया।
पारंपरिक विधियों के साथ तुलना: पारंपरिक रूट-मीन-स्क्वायर (RMS) विधि की तुलना में, प्रस्तावित FSV विधि ने 50% से अधिक (और कुछ मामलों में एक ऑर्डर ऑफ मैग्नीट्यूड तक) गति सुधार प्रदर्शित किया। उदाहरण के लिए, RMS विधि को सिंगल-फेज शॉर्ट सर्किट का पता लगाने में 22.4 ms तक का समय लगा, जबकि FSV विधि ने 1.61 ms लिया।
स्थिरता और मजबूती: विधि ने विभिन्न प्रारंभिक दोष चरण कोणों (initial fault phase angles) में स्थिर प्रदर्शन बनाए रखा। इसके अलावा, गैर-दोष गड़बड़ियों (सिम्युलेटेड लाइट इंटेंसिटी परिवर्तन और मोटर स्टार्टिंग) के तहत, FSV उतार-चढ़ाव डिटेक्शन थ्रेशोल्ड से काफी नीचे (अधिकतम उतार-चढ़ाव 0.07) रहा, जिससे पुष्टि हुई कि कोई गलत निर्णय नहीं हुआ।

महत्व
यह शोध पत्र दावा करता है कि यह विधि जहाज के पावर सिस्टम में तीव्र दोष सुरक्षा के लिए एक प्रभावी तकनीकी साधन प्रदान करती है। माइक्रोसेकंड-स्तर का डिटेक्शन (0.05 ms के न्यूनतम विलंब के साथ) प्राप्त करके, यह विधि सॉलिड-स्टेट सर्किट ब्रेकर्स और फास्ट करंट लिमिटर्स के लिए अत्यंत प्रारंभिक पहचान का आधार प्रदान करती है। यह क्षमता शॉर्ट-सर्किट करंट के शिखर (peak) तक पहुँचने से पहले दोष को अलग करने की अनुमति देती है, जिससे प्रोपल्शन मोटर्स और हाई-पावर रडार जैसे महत्वपूर्ण लोड को डिस्कनेक्ट करने वाले बड़े क्षेत्र के वोल्टेज सैग्स (voltage sags) को रोका जा सकता है। अंततः, इस दृष्टिकोण का लक्ष्य जहाज के पावर सिस्टम, विशेष रूप से जटिल AC/DC हाइब्रिड या DC माइक्रोग्रिड कॉन्फ़िगरेशन में निरंतर संचालन क्षमता और सेल्फ-हीलिंग स्तरों को महत्वपूर्ण रूप से सुधारना है।

समस्या: एक जहाज की बिजली प्रणाली एक "नाजुक घर" की तरह है

नया समाधान: "डिकपल्ड डबल सिंक्रोनस रोटेटिंग फ्रेम" (DDSRF)

व्यवहार में यह कैसे काम करता है

यह जहाजों के लिए क्यों महत्वपूर्ण है

मुख्य निष्कर्ष

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