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

技術要約：インバータベース電源（IBR）を含む配電網における、故障前電圧識別および時間領域保護

問題提起
インバータベース電源（IBR）の配電網への導入増加は、従来のフェーザベースの過電流保護（例：ANSI 51）に対して重大な課題を突きつけている。同期発電機とは異なり、IBRは高レベルの短絡電流を供給する能力に乏しいため、従来の過電流リレーを動作させるには不十分な故障電流しか発生しない場合がある。さらに、従来の周波数領域のリレーは、正確な信号推定のために1から1.5サイクルのデータウィンドウを必要とし、その結果、現代のグリッド要件に対して最適とは言えない検出遅延が生じる。進行波（Traveling Waves: TW）を利用した時間領域保護は送電システムでは検討されてきたが、配電網への適用においては2つの主要な要因によって阻害されている。それは、電圧レベルが低いこと（結果としてTWの振幅が小さくなること）、および故障によって誘発されたTWと、通常の開閉操作や変圧器突入電流によって生成されたTWを区別することの困難さである。

手法
本論文は、**故障前電圧識別（Pre-Fault Voltage Discrimination: PVD）**戦略を中心とした時間領域保護アルゴリズムを提案している。この手法は、故障の進展を、最初の故障波面の到着、TWの反射、および定常状態の集中定数挙動への遷移という3つの段階に分解するものである。

コアとなるアルゴリズムは、以下の3ステップのプロセスで動作する：

1. 進行波検出（ステップ I）： 絶対的なTW振幅の閾値にのみ依存する方法は、低振幅のTWに対して信頼性が低いため、アルゴリズムは電圧の変化率（$dV/dt$）を監視することでTWの到着を検出する。定常状態における最大履歴 $dV/dt$ から導出された閾値を超えた場合に、TWがフラグ立てされる。このアプローチは、絶対的なTW振幅に依存しない。
2. 非開閉イベントに対する高速トリップ（ステップ II）： TWが検出されると、アルゴリズムはTW振幅（$V_{TW}$）と故障前電圧（$V(t-1)$）の比、すなわち進行波故障前電圧比（TWPV）を計算する。
   • TWPVが高く（通常 $\ge 1$）、かつTWの極性が故障前電圧と逆である場合、その事象は故障と分類され、即座にトリップ信号が発行される。
   • 故障前電圧がゼロに近い場合（低TWPVシナリオ）、数値誤差や微小な信号ノイズによる誤動作を避けるため、アルゴリズムは検証遅延を適用する。
3. 突入電流および開閉イベントの識別（ステップ III）： ステップ I で初期TW検出をトリガーしたが、ステップ II のTWPV基準を満たさなかった事象に対して、アルゴリズムは変圧器突入電流と故障を区別するための非線形性チェックを実行する。
   • アルゴリズムは、短い時間窓（$\Delta \tau_3$）における最小二乗法を用いて、期待される線形RL回路の電流応答をモデル化する。
     лоしくは、測定された電流と推定された線形モデルとの間の残差平方和（SSE）を計算する。
   • 変圧器突入電流は極めて非線形であるため、線形応答を示す故障と比較して、有意に高いSSEを生成する。SSEが閾値を下回る場合、その事象は故障として確定され、そうでなければ開閉イベントまたは突入電流として拒絶される。
   • TW検出が失敗した場合（例：電圧ゼロ交差の直点で開始する故障など）に備えて、バックアップとして過電流監視要素が含まれている（ただし、著者らは、厳密なゼロ電圧故障は実用上不可能であると述べている）。

主な貢献

• 故障前電圧識別（PVD）： 本論文は、故障検出（$dV/dt$ による）と故障識別（TWPV による）を分離する戦略としてPVDを導入している。これにより、低電圧の故障前電圧やIBRの制限によりTW振幅が小さい場合でも、迅速な故障検出が可能となる。
• 時間領域の突入電流識別： 著者らは、高調波解析に必要な長いデータウィンドウを必要とせずに、SSE分析を用いて変圧器突入電流を故障と区別する時間領域の手法を提案している。
• 統一フレームワーク： このアプローチは、初期波面から定常状態に至る異なる時間スパンにわたる故障解析を統合し、ネットワークのインピーダンスに関する事前の知識を必要とせずに、速度と信頼性を向上させる。

結果
提案されたアルゴリズムは、主に2つの方法で検証された：

1. オフラインシミュレーション（EMTP）： グリッド接続されたPVユニットを持つ、修正されたIEEE 34ノードテストフィーダーを用いてテストが行われた。アルゴリズムは、シミュレートされたすべての故障タイプ（高抵抗故障および低角故障を含む）を、数十マイクロ秒から数ミリ秒以内に検出することに成功した。決定的なことに、フィーダーの加圧・減圧を含むすべての通常の開閉イベントを正しく拒絶し、高いセキュリティを実証した。
2. コントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）リアルタイムシミュレーション： アルゴリズムは、蓄電池システム（GFMモード）を備えたアイランド型マイクログリッドのリアルタイムシミュレータに接続された制御カードに実装された。サンプリングレート90.9 kHz（商用の送電リレーよりも低い）を使用して、以下のことが示された：
   • 確実性（Dependability）： 開始角がわずか $4^\circ$ の故障であっても、10 ms以内（過電流バックアップ経由）またはそれよりも早く（TW要素経由）検出された。
   • 安全性（Security）： グリッド接続イベントや負荷変動を含む通常の開閉操作によって、誤トリップは発生しなかった。
   • 速度： 提案手法は、検出に25 msから120 msを要したシミュレートされたANSI 51逆時限過電流リレーを大幅に上回り、高角故障に対しては1 ms未満、低角故障に対しては10 ms未満で検出した。

意義
本論文は、提案されたPVD戦略および時間領域アルゴリズムが、IBRが豊富な配電網における保護の決定的なギャップを埋めるものであると主張している。絶対的な振幅ではなく電圧の変化率を利用することで、本手法はIBR特有の低故障電流の制限を克服している。時間領域の非線形性チェックの統合は、高調波解析のレイテンシを回避しながら、変圧器突入電流を故障と区別するための堅牢なメカニズムを提供する。著者らは、このアプローチが、オフラインおよびリアルタイムのハードウェアシミュレーションを通じて検証された、従来の過電流保護に代わる、より高速で安全かつ信頼性の高い選択肢を提供すると断言している。今後の課題として、多端子およびメッシュネットワークへの拡張が挙げられている。