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

आधुनिक विद्युत ग्रिड एक शांत क्रांति के दौर से गुजर रहा है। दशकों से, हमारे घरों की रोशनी और हमारे शहरों की बिजली कोयले, गैस या गिरते पानी द्वारा संचालित पावर प्लांटों में विशाल घूमते टर्बाइनों द्वारा आपूर्ति की जाती रही है। इन मशीनों में 'जड़त्व' (inertia) नामक एक प्राकृतिक भौतिक गुण होता है; वे भारी होती हैं और उनकी गति बदलना कठिन होता है, जो ग्रिड को तब स्थिर रखने में मदद करता है जब मांग अचानक बदलती है या कोई लाइन टूट जाती है। हालाँकि, आज हम तेजी से इन भारी मशीनों को पवन फार्मों और सौर पैनलों जैसे नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों से बदल रहे हैं। ये स्रोत घूमते नहीं हैं; वे बिजली उत्पादन के लिए पावर इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग करते हैं जो डायरेक्ट करंट (DC) को उस अल्टरनेटिंग करंट (AC) में बदलते हैं जिसका उपयोग ग्रिड द्वारा किया जाता है। हालांकि यह बदलाव एक स्वच्छ भविष्य के लिए आवश्यक है, लेकिन यह उस प्राकृतिक स्थिरता को हटा देता है। जब कोई दोष (fault) होता है—जैसे शॉर्ट सर्किट या तार का टूटना—तो ये नए इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम पुराने घूमने वाले सिस्टमों की तुलना में बहुत अलग व्यवहार करते हैं। वे खुद को बचाने के लिए अपने करंट आउटपुट को सीमित कर देते हैं, जिससे पारंपरिक सुरक्षा उपकरणों के लिए यह पता लगाना बहुत कठिन हो जाता है कि समस्या वास्तव में कहाँ है। यदि ग्रिड इन दोषों को जल्दी से खोज और अलग नहीं कर पाता है, तो पूरे सिस्टम के व्यापक ब्लैकआउट में बदलने का खतरा रहता है।

ईरान यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने इस विशिष्ट समस्या को हल करने का एक नया तरीका विकसित किया है, जो विशेष रूप से उन आधुनिक, इलेक्ट्रॉनिक-आधारित संसाधनों पर केंद्रित है जो हाई-वोल्टेज डायरेक्ट करंट (HVDC) लाइनों के माध्यम से ग्रिड से जुड़े हुए हैं। उनका कार्य एक महत्वपूर्ण कमी को दूर करता है: पारंपरिक सुरक्षा प्रणालियाँ पुराने घूमते हुए जनरेटरों के लिए डिज़ाइन की गई थीं और अक्सर आधुनिक इनवर्टर के नियंत्रित, सीमित करंट के सामने विफल हो जाती हैं या हिचकिचाती हैं। टीम ने एक ऐसी विधि प्रस्तावित की है जो एक विस्तृत-क्षेत्रीय सुरक्षा जाल (wide-area safety net) की तरह कार्य करती है, जो केवल एक एकल तार को देखने के बजाय पूरे नेटवर्क को देखती है ताकि यह पता लगाया जा सके कि दोष कहाँ हुआ है। करंट के सटीक आकार को मापने के बजाय, जो इन नए ऊर्जा स्रोतों के साथ भ्रामक हो सकता है, उनका दृष्टिकोण करंट प्रवाह की दिशा और अचानक होने वाले परिवर्तन पर केंद्रित है। ग्रिड के प्रमुख बिंदुओं पर रखे गए सेंसरों से प्राप्त डेटा का विश्लेषण करके, यह प्रणाली सटीक रूप से उस लाइन की पहचान कर सकती है जो विफल हुई है, भले ही वह दोष कमजोर हो, छिपा हुआ हो, या अन्य सिस्टम तनावों के साथ हो रहा हो।

शोधकर्ताओं ने अपने विचार का परीक्षण एक संशोधित इलेक्ट्रिकल नेटवर्क के विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके किया, जिसे IEEE 39-बस सिस्टम के रूप में जाना जाता है, जिसमें एक बड़ा अपतटीय (offshore) पवन फार्म शामिल है जो एक हाई-वोल्टेज डायरेक्ट करंट लिंक के माध्यम से मुख्य भूमि से जुड़ा हुआ है। अपने सिमुलेशन में, उन्होंने विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रिकल फॉल्ट्स पेश किए, जिनमें सिंगल-वायर ब्रेक, डबल-वायर शॉर्ट्स और यहाँ तक कि हाई-रेसिस्टेंस फॉल्ट्स भी शामिल थे जो पहचान के लिए अत्यंत कठिन होते हैं। उन्होंने उन परिदृश्यों का भी परीक्षण किया जहाँ ग्रिड तनाव में था, जैसे कि 'पावर स्विंग्स' के दौरान जहाँ ऊर्जा का प्रवाह दोलन (oscillate) करता है, और ऐसी स्थितियाँ जहाँ दो दोष लगभग एक ही समय में अलग-अलग स्थानों पर होते हैं। सिमुलेशन के परिणामों ने दिखाया कि उनकी विधि हर परिदृश्य में सही दोषपूर्ण लाइन को सफलतापूर्वक पहचानने में सक्षम थी। इसने वास्तविक दोष और सामान्य सिस्टम उतार-चढ़ाव के बीच अंतर किया, और यह तब भी काम कर सका जब इलेक्ट्रिकल सिग्नल शोर युक्त (noisy) थे या जब फॉल्ट रेजिस्टेंस 500 ओहम जितना अधिक था।

उनकी रणनीति का मूल एक दो-चरणीय प्रक्रिया है जो इस तरह नकल करती है जैसे कोई मानव खोज क्षेत्र को सीमित करने का प्रयास करता है। सबसे पहले, सिस्टम नेटवर्क के प्रत्येक बस, या कनेक्शन पॉइंट पर वोल्टेज स्तरों को देखता है। जब कोई दोष होता है, तो वोल्टेज समस्या के सबसे करीब वाले बसों पर सबसे अधिक गिरता है। सिस्टम सभी बसों को इस आधार पर रैंक करता है कि उनका वोल्टेज कितना गिरा है और शीर्ष तीन संदिग्धों को चुनता है जो सबसे संभावित क्षेत्र हैं। यह चरण डेटा की उस मात्रा को काफी कम कर देता है जिसे सिस्टम को प्रोसेस करने की आवश्यकता होती है, जिससे उसका ध्यान केवल उसी क्षेत्र पर केंद्रित होता है जहाँ समस्या होने की सबसे अधिक संभावना है। एक बार जब ये तीन संदिग्ध बसें पहचान ली जाती हैं, तो सिस्टम उनसे जुड़ी प्रत्येक ट्रांसमिशन लाइन की जांच करता है। यह लाइन के माध्यम से बहने वाली बिजली की कुल मात्रा को नहीं देखता, बल्कि उस अचानक करंट परिवर्तन को देखता है जो दोष होते ही होता है।

यह निर्धारण करने के लिए, सिस्टम प्रत्येक संभावित लाइन के दोनों सिरों पर करंट के व्यवहार की तुलना करता है। सामान्य परिस्थितियों में, या जब ग्रिड के किसी दूसरे हिस्से में दोष होता है, तो एक लाइन के दोनों सिरों पर करंट के परिवर्तन एक विशिष्ट तरीके से मेल नहीं खाते। हालाँकि, यदि सीधे उस लाइन पर दोष होता जिसकी निगरानी की जा रही है, तो दोनों सिरों पर करंट के परिवर्तन दोष के सापेक्ष एक ही दिशा में होंगे। शोधकर्ताओं ने एक 'डिसीजन मैप' (decision map) बनाया है जहाँ वे इन दोनों सिरों से होने वाले परिवर्तनों को प्लॉट करते हैं। यदि दोनों सिरों से परिवर्तन इस मैप पर एक विशिष्ट सकारात्मक क्षेत्र (positive zone) में आते हैं, तो सिस्टम उस लाइन को दोषपूर्ण घोषित कर देता है। यह विधि तब भी मजबूत साबित हुई जब डेटा अपूर्ण था या जब ग्रिड जटिल, ओवरलैपिंग गड़बड़ियों का अनुभव कर रहा था।

इस अध्ययन का सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्ष यह है कि यह विधि इस बात पर निर्भर नहीं करती कि दोष सममित (symmetrical) है, जो बिजली की लाइन के तीनों चरणों (phases) को समान रूप से प्रभावित करता है, या असममित (asymmetrical) है, जो केवल एक या दो चरणों को प्रभावित करता है। इसने हाई-रेसिस्टेंस फॉल्ट्स को भी सफलतापूर्वक संभाला, जो अक्सर पुराने सुरक्षा सिस्टम के लिए अदृश्य होते हैं क्योंकि करंट में गिरावट इतनी कम होती है कि अलार्म ट्रिगर नहीं हो पाता। इसके अलावा, सिस्टम ने एक खतरनाक दोष और एक 'पावर स्विंग' के बीच अंतर किया, जो एक ऐसी स्थिति है जहाँ ग्रिड तनाव में तो होता है लेकिन टूटा नहीं होता है। यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि पावर स्विंग के दौरान अनावश्यक रूप से किसी लाइन को ट्रिप करना वास्तव में उसी ब्लैकआउट का कारण बन सकता है जिसे सिस्टम रोकने की कोशिश कर रहा है। सिमुलेशन ने दिखाया कि जबकि सिस्टम ने दोष की सही पहचान की, उसने पावर स्विंग को अनदेखा कर दिया, जिससे ग्रिड स्थिर रहा।

शोधकर्ताओं ने 'क्रॉस-कंट्री फॉल्ट' नामक परिदृश्य में, जहाँ तेजी से एक के बाद एक कई दोष होते हैं, सिस्टम की क्षमता का भी परीक्षण किया। अपने सिमुलेशन में, एक लाइन पर एक दोष हुआ, और एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से के बाद दूसरी लाइन पर दूसरा दोष हुआ। सिस्टम पहले इवेंट को पहचानने, सही लाइन की पहचान करने और फिर तुरंत दूसरे इवेंट को पहचानने और बिना किसी भ्रम के दूसरी दोषपूर्ण लाइन की पहचान करने में सक्षम था। कई घटनाओं को संभालने की यह क्षमता बताती है कि यह विधि वास्तविक दुनिया के उन परिदृश्यों में अत्यधिक विश्वसनीय हो सकती है जहाँ कई विफलताएं एक के बाद एक (cascade) हो सकती हैं। सिस्टम ने 'मेजरमेंट नॉइज़' (मापन शोर) के विरुद्ध भी लचीलापन प्रदर्शित किया, और डेटा में महत्वपूर्ण हस्तक्षेप होने के बावजूद अपनी सटीकता बनाए रखी, जो वास्तविक दुनिया के इलेक्ट्रिकल मॉनिटरिंग में एक आम समस्या है।

प्रस्तावित विधि की गति एक अन्य प्रमुख विशेषता है। सिमुलेशन में, सिस्टम ने केवल 10 मिलीसेकंड में निर्णय लिया। हालाँकि यह तेज़ है, शोधकर्ता नोट करते हैं कि वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोग में, यह सिस्टम प्राथमिक रक्षा के बजाय एक 'बैकअप प्रोटेक्शन' के रूप में कार्य करेगा। प्राथमिक सुरक्षा प्रणालियाँ दोषों को अलग करने के लिए लगभग तुरंत, यानी इलेक्ट्रिकल वेव के कुछ चक्रों के भीतर कार्य करने के लिए डिज़ाइन की गई हैं। यहाँ वर्णित वाइड-एरिया सिस्टम एक सुरक्षा जाल के रूप में कार्य करेगा, जो तब हस्तक्षेप करेगा जब प्राथमिक प्रणाली दोष को हटाने में विफल रहती है। यह देरी प्राथमिक प्रणालियों को अपना काम करने देती है, और यदि वे दोष को पहचानने में चूक जाते हैं, तो यह व्यापक और अधिक व्यापक प्रणाली बड़े पतन को रोकने के लिए कार्यभार संभाल लेती है। यह स्तरित दृष्टिकोण सुनिश्चित करता है कि भले ही प्राथमिक सेंसर या लॉजिक आधुनिक नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों के जटिल व्यवहार से भ्रमित हो जाएं, ग्रिड सुरक्षित रहे।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि यह दृष्टिकोण ऊर्जा क्षेत्र में बढ़ती समस्या के लिए एक व्यावहारिक समाधान प्रदान करता है। जैसे-जैसे अधिक पवन और सौर फार्म ग्रिड से जुड़ रहे हैं, बिजली की लाइनों की सुरक्षा करने के पारंपरिक तरीके कम प्रभावी होते जा रहे हैं। करंट के परिमाण (magnitude) के बजाय करंट के परिवर्तन की दिशा पर ध्यान केंद्रित करके, और एक विस्तृत-क्षेत्रीय दृश्य का उपयोग करके खोज को सीमित करके, यह नई विधि ग्रिड को स्थिर रखने का एक विश्वसनीय तरीका प्रदान करती है। कठोर कंप्यूटर सिमुलेशन से प्राप्त परिणाम बताते हैं कि इस तरह के सिस्टम को ग्रिड की सुरक्षा के लिए लागू किया जा सकता है, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि नवीकरणीय ऊर्जा की ओर संक्रमण ग्रिड की स्थिरता की कीमत पर न हो। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि हालांकि ग्रिड का भौतिक विज्ञान बदल रहा है, सावधानीपूर्वक अवलोकन और तार्किक निष्कर्ष के सिद्धांत अभी भी सिस्टम को सुरक्षित और क्रियाशील रखने के लिए उपयोग किए जा सकते हैं।