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

La moderna rete elettrica sta attraversando una rivoluzione silenziosa. Per decenni, la luce nelle nostre case e l'energia per le nostre città sono state fornite da enormi turbine rotanti nelle centrali elettriche, azionate da carbone, gas o acqua in caduta. Queste macchine possiedono una proprietà fisica naturale chiamata inerzia; sono pesanti e lente nel cambiare velocità, il che aiuta la rete a rimanere stabile quando la domanda cambia improvvisamente o una linea si interrompe. Oggi, tuttavia, stiamo sostituendo sempre più queste macchine pesanti con fonti di energia rinnovabile come parchi eolici e impianti solari. Queste fonti non ruotano; generano elettricità attraverso l'elettronica di potenza che converte la corrente continua nella corrente alternata utilizzata dalla rete. Sebbene questo passaggio sia essenziale per un futuro più pulito, esso rimuove quella stabilità naturale. Quando si verifica un guasto — un cortocircuito o la rottura di un cavo — i nuovi sistemi elettronici si comportano in modo molto diverso rispetto ai vecchi sistemi rotanti. Essi limitano la propria uscita di corrente per proteggersi, rendendo molto più difficile per i tradizionali dispositivi di sicurezza individuare esattamente dove si è verificato il problema. Se la rete non riesce a trovare e isolare questi guasti rapidamente, l'intero sistema rischia di collassare in un blackout diffuso.

I ricercatori dell'Università della Scienza e della Tecnologia dell'Iran hanno sviluppato un nuovo modo per risolvere questo problema specifico, concentrandosi su come proteggere la rete quando è alimentata da queste moderne risorse basate sull'elettronica collegate tramite linee di corrente continua ad alta tensione. Il loro lavoro affronta una lacuna critica: i sistemi di sicurezza tradizionali erano progettati per i vecchi generatori rotanti e spesso falliscono o esitano di fronte alle correnti controllate e limitate dei moderni inverter. Il team ha proposto un metodo che agisce come una rete di sicurezza ad ampia area, guardando all'intera rete piuttosto che a un singolo cavo per capire dove è avvenuto un guasto. Inveve di cercare di misurare l'entità esatta della corrente elettrica, che può essere fuorviante con queste nuove fonti di energia, il loro approccio si concentra sulla direzione e sul cambiamento improvviso del flusso di corrente. Analizzando i dati provenienti dai sensori posizionati in punti chiave della rete, il sistema può individuare l'esatta linea che ha subito il guasto, anche se il guasto è debole, nascosto o avviene insieme ad altre sollecitazioni del sistema.

I ricercatori hanno testato la loro idea utilizzando una simulazione computerizzata dettagliata di una rete elettrica modificata nota come sistema IEEE 39-Bus, che include un grande parco eolico offshore collegato alla terraferma attraverso un collegamento in corrente continua ad alta tensione. Nella loro simulazione, hanno introdotto vari tipi di guasti elettrici, inclusi guasti a singolo filo, cortocircuiti a doppio filo e persino guasti ad alta resistenza, che sono notoriamente difficili da rilevare. Hanno anche testato scenari in cui la rete era sotto stress, come durante le oscillazioni di potenza, in cui il flusso di energia oscilla, e situazioni in cui due guasti si sono verificati in luoghi diversi quasi contemporaneamente. I risultati della simulazione hanno mostrato che il loro metodo poteva identificare con successo la corretta linea guasta in ogni scenario. Ha distinto tra un guasto reale e le normali fluttuazioni del sistema, e ha funzionato anche quando i segnali elettrici erano rumorosi o quando la resistenza del guasto era alta fino a 500 ohm.

Il cuore della loro strategia prevede un processo in due fasi che imita il modo in cui un essere umano potrebbe restringere l'area di ricerca. Per prima cosa, il sistema osserva i livelli di tensione in ogni bus, o punto di connessione, della rete. Quando si verifica un guasto, la tensione scende più significativamente nei bus più vicini al problema. Il sistema classifica tutti i bus in base a quanto è diminuita la loro tensione e seleziona i tre migliori come sospetti più probabili. Questo passaggio riduce drasticamente la quantità di dati che il sistema deve elaborare, concentrando la sua attenzione solo nell'area dove è più probabile che si trovi il problema. Una volta identificati questi tre bus sospetti, il sistema esamina ogni linea di trasmissione collegata a essi. Non guarda la quantità totale di elettricità che scorre nella linea, ma piuttosto il cambiamento improvviso della corrente che avviene nel momento in cui si verifica il guasto.

Per effettuare questa determinazione, il sistema confronta il comportamento della corrente alle due estremità di ogni linea candidata. In condizioni normali, o quando un guasto avviene in un'altra parte della rete, i cambiamenti di corrente alle due estremità di una linea non corrisponderanno in un modo specifico. Tuttavia, se un guasto avviene direttamente sulla linea monitorata, i cambiamenti di corrente a entrambe le estremità punteranno nella stessa direzione rispetto al guasto. I ricercatori hanno creato una mappa decisionale in cui tracciano questi cambiamenti da entrambe le estremità. Se i cambiamenti da entrambe le estremità cadono in una specifica zona positiva su questa mappa, il sistema dichiara quella linea come quella guasta. Questo metodo si è dimostrato robusto anche quando i dati erano imperfetti o quando la rete stava vivendo disturbi complessi e sovrapposti.

Uno dei risultati più significativi di questo studio è che il metodo funziona indipendentemente dal fatto che il guasto sia simmetrico, ovvero che colpisca tutte e tre le fasi della linea elettrica in modo uguale, o asimmetrico, ovvero che colpisca solo una o due fasi. Ha inoltre gestito con successo i guasti ad alta resistenza, che spesso sono invisibili ai sistemi di protezione più vecchi perché la caduta di corrente è troppo piccola per far scattare un allarme. Inoltre, il sistema è stato in grado di distinguere tra un guasto pericoloso e un'oscillazione di potenza, una condizione in cui la rete è sotto stress ma non è interrotta. Questa distinzione è vitale perché interrompere una linea inutilmente durante un'oscillazione di potenza può causare proprio il blackout che il sistema sta cercando di prevenire. La simulazione ha mostato che, mentre il sistema identificava correttamente il guasto, ignorava l'oscillazione di potenza, mantenendo la stabilità della rete.

I ricercatori hanno anche testato la capacità del sistema di gestire guasti multipli che si verificano in rapida successione, uno scenario noto come guasto transfrontaliero (cross-country fault). Nella loro simulazione, un guasto si è verificato su una linea, e un secondo guasto è avvenuto su una linea diversa solo una frazione di secondo dopo. Il sistema è stato in grado di rilevare il primo evento, identificare la corretta linea e poi riconoscere immediatamente il secondo evento e identificare la seconda linea guasta senza confusione. Questa capacità di gestire eventi sequenziali e sovrapposti suggerisce che il metodo potrebbe essere altamente affidabile in scenari reali in cui potrebbero verificarsi guasti a cascata. Il sistema ha anche dimostrato resilienza contro il rumore di misurazione, mantenendo la sua precisione anche quando i dati contenevano interferenze significative, un problema comune nel monitoraggio elettrico reale.

La velocità del metodo proposto è un'altra caratteristica chiave. Nelle simulazioni, il sistema è stato in grado di prendere una decisione in soli 10 millisecondi. Sebbene questo sia veloce, i ricercatori osservano che, in un'applicazione reale, questo sistema servirebbe probabilmente come protezione di backup piuttosto che come difesa primaria. I sistemi di protezione primaria sono progettati per agire quasi istantaneamente, entro pochi cicli dell'onda elettrica, per isolare i guasti. Il sistema ad ampia area descritto qui agirebbe come una rete di sicurezza, intervenendo se la protezione primaria non riesce a eliminare un guasto. Questo ritardo permette ai sistemi primari di svolgere il loro compito per primi, e solo se mancano il guasto, questo sistema più ampio e completo prende il controllo per prevenire un collasso maggiore. Questo approccio a strati assicura che la rete rimanga sicura anche quando i sensori o la logica primaria sono confusi dal comportamento complesso delle moderne fonti di energia rinnovabile.

Lo studio conclude che questo approccio offre una soluzione pratica a un problema crescente nel settore energetico. Man mano che più parchi eolici e solari vengono collegati alla rete, i metodi tradizionali per proteggere le linee elettriche stanno diventando meno efficaci. Concentrandosi sulla direzione dei cambiamenti di corrente piuttosto che sulla loro entità, e utilizzando una visione ad ampia area per restringere la ricerca, questo nuovo metodo fornisce un modo affidabile per mantenere accese le luci. I risultati, derivati da rigorose simulazioni computerizzate, suggeriscono che un tale sistema potrebbe essere implementato per proteggere la futura rete, garantendo che la transizione verso l'energia rinnovabile non avvenga a scapito della stabilità della rete. Il lavoro evidenzia che, sebbene la fisica della rete stia cambiando, i principi dell'osservazione attenta e della deduzione logica possono ancora essere utilizzati per mantenere il sistema sicuro e funzionante.