Protection and fault management in active distribution systems
Authors:   , Monadi Mehdi 
Published: July 2023

The integration of renewable energy resources (RES), as a type of distributed generation (OG) units, is increasing in distribution, systems. This integration, changes the topology, performance and the operational aspects of conventional distribution systems. Protection is one of the main issues that are affected after the high penetration of OGs. Therefore, new protection methods are necessary to guarantee the safety and the reliability of active distribution systems.
On the other hand, most RESs are interfaced with the AC grids through power-electronic devices. These interfaces consist of at least one AC/DC conversion units. Hence, using OC distribution systems can contribute to the loss/cost reduction, as some power conversion stages are eliminated. Enhancement in system stability, reduction of power losses, and power quality
1 improvement are other advantages of OC networks. For these reasons as well as the simple integration of electronic loads that are supplied by OC power, the concept of OC distribution systems has attracted a considerable attention over the last years. In 1 fact, MVOC and LVDC grids can be an important part of the future distribution systems. Furthermore, AC and OC system can contribute to construct hybrid AC/DC distribution systems. According to these significant changes in the distribution systems, it is necessary to modify the algorithm of existing protection methods or to propose new protection schemes for both active AC and OC distribution systems.
Moreover, in conventional distribution systems, loads are supplied by upstream grid, i.e. transmission lines; therefore, when a fault impacts the upstream grid and the faulty part disconnected by the protection system, all loads connected to distribution systems are disconnected as well. However, in active distribution systems, DGs can support the on-outage zones if the grid equipped with an appropriate fault management system. Therefore, automatic self-healing methods can increase the network reliability and power supply continuity. To provide the self-healing capability, distribution grids should be equipped with adequate algorithms that are able to guarantee the continuous and optima! operation for the isolated section of the grid.
In this thesis, differences between protection issues in OC and AC systems are investigated and analyzed. Then, based on this analyze, effective protection and fault management methods are presented far OC distribution systems and microgrids. In the other part of this thesis, a fault management and self-healing algorithm is proposed far active distribution systems. The proposed methods have been evaluated by the hardware-in-the-loop approach using real-time simulators and suitable controllers.
La creciente integración de recursos energéticos renovables en el sistema eléctrico ha propiciado el aumento de sistemas de generación distribuida (DG) en los sistemas de distribución. Esta integración,influye en la topologla, el rendimiento y los aspectos operacionales de los sistemas de distribución convencionales. Su impacto sobre los sistemas de protección es uno de los principales problemas que se derivan de la alta penetración de DG. Por ese motivo es preciso diseñar nuevos métodos y sistemas de protección que sean capaces de garantizar la seguridad y la fiabilidad de los sistemas de distribución activos. Por otro lado, la mayoria de sistemas de generación basados en renovables están interconectados con la red de AC a través de convertidores electrónicos de potencia.Estas interfaces consisten en unidades de conversión DC/AC. Por lo tanto, el uso de sistemas de distribución de corriente continua puede contribuir a la reducción de las pérdidas/ costes, ya que algunas etapas de conversión de energía pueden ser eliminadas. La mejora en la estabilidad del sistema, la reducción de las pérdidas de energía,y la mejora la calidad de energía son otras de las ventajas que las redes de corriente continua pueden ofrecer. Por estos motivos, junto con la fácil integración de cargas electrónicas alimentadas en OC, el concepto de sistemas de distribución en OC ha atraido una considerable atención en los últimos anos. De hecho, los sistemas MVDC y las redes LVDC están llamados a ser una parte importante delos sistemas de distribución y transmisión en el futuro. Además, los sistemas de conversión OC y AC pueden contribuir a la construcción de sistemas de distribución de AC I DC híbridos. De acuerdo con estos cambios, significativos en los sistemas de distribución, es necesario modificar el algoritmo y los métodos de protección existentes y proponer nuevos esquemas de protección tanto para los sistemas de distribución en AC como para los de OC. Por otra parte, en los sistemas de distribución convencionales, las cargas son alimentadas por la red aguas arriba, es decir;por las lineas de transmisión; Por lo tanto, cuando una falta se produce en la red aguas arriba la parte defectuosa es desconectada por el sistema de protección, asimismo todas las cargas conectadas a los sistemas de distribución se desconectan también. Sin embargo, en los sistemas de distribución activos, los sistemas DG pueden soportar las zonas de no disponibilidad si la red está equipada con un sistema de gestión de fallos. Por lo tanto, los métodos automáticos de 'self-healing' pueden contribuir a aumentar la continuidad y la fiabilidad del suministro en ta red. Para proporcionar la capacidad de 'self-healing', las redes de distribución deben estar equipadas con algoritmos adecuados que sean capaces de garantizar el funcionamiento continuo y óptimo para la sección aislada de la red. En esta tesis, las diferencias entre tas protecciones para sistemas de OC y CA son investigadas y analizadas. Luego, en base a este analísis, se presentarán los métodos de protección y gestión de fallos adecuados para los sistemas y microrredes de distribución OC. En la otra parte de esta tesis, se propone un algoritmo de gestión de fallos y 'self-healing ' para sistemas de distribución activos. Para validar los métodos propuestos se ha trabajado con plataformas hardware-in­ the-loop avanzado utilizando simuladores en tiempo real y controladores trabajando en base a plataformas de control reales.