Reliability of distance protection in power systems with high penetration of renewable energy sources

As the integration of renewable energy sources into modern power systems accelerates, traditional protection schemes face increasing challenges. This thesis investigates the reliability of distance protection in high-voltage transmission systems with significant penetration of inverter-based resources (IBRs). Unlike conventional synchronous generators, IBRs contribute limited fault current—often governed by control algorithms—which can compromise the performance of impedance-based protection relays. The work includes literature studies, simulation modelling in ATPDraw and data analysis in MATLAB. Moreover, theoretical results were further verified under controlled fault conditions through practical case studies which were carried out in laboratory with an Omicron test set and an Etango-2000 distance relay. A transmission system with different mix of conventional with constant inverter generation has been studied to investigate how fault impedance and protection margins move with IBR penetration. Relay performance was assessed for variety of fault scenarios, from which the over-arching issues of under-reaching and non-operation during low fault current scenarios were discovered. The measured fault current magnitude reduction and the distortion in symmetrical component angles especially with reduced AC voltage source contribution––were critically important for improper relay tripping. Results point to the increasing inadequacy of traditional distance protection in inverter-dominant grids and to the necessity of protection adaptation. Finally, potential remedies, such as deploying grid-forming inverters and implementing angle-sensitive protection algorithms, are suggested to improve system reliability in the power systems of the future.

Con l'accelerazione dell'integrazione delle fonti di energia rinnovabile nei moderni sistemi energetici, gli schemi di protezione tradizionali si trovano ad affrontare sfide crescenti. Questa tesi indaga l'affidabilità della protezione a distanza nei sistemi di trasmissione ad alta tensione con una significativa penetrazione di risorse basate su inverter (IBR). A differenza dei generatori sincroni convenzionali, gli IBR contribuiscono a una corrente di guasto limitata, spesso regolata da algoritmi di controllo, che può compromettere le prestazioni dei relè di protezione basati sull'impedenza. Lo studio prevede un'ampia revisione della letteratura, la modellazione di simulazione in ATPDraw e l'analisi dei dati in MATLAB. Inoltre, sono stati condotti casi di studio pratici in laboratorio utilizzando un set di test Omicron e un relè di distanza Etango- 2000 per convalidare i risultati teorici in condizioni di guasto controllate. È stato modellato un sistema di linea di trasmissione con proporzioni variabili di generazione convenzionale con inverter costante per valutare come l'impedenza di guasto e i margini di protezione variano al variare della penetrazione degli IBR. Il comportamento dei relè è stato analizzato in una gamma di scenari di guasto, rivelando problematiche chiave come il sotto-raggiungimento e il mancato funzionamento in condizioni di bassa corrente di guasto. La diminuzione osservata dell'ampiezza della corrente di guasto e della distorsione negli angoli delle componenti simmetriche, in particolare con un ridotto contributo della sorgente CA, si è rivelata fondamentale nell'innescare malfunzionamenti dei relè. I risultati sottolineano i crescenti limiti della protezione di distanza convenzionale nelle reti dominate dagli inverter e sottolineano la necessità di strategie di protezione adattive. Vengono proposte potenziali misure di mitigazione, tra cui l'adozione di inverter per la formazione della rete e algoritmi di protezione sensibili all'angolo, per migliorare l'affidabilità del sistema nei futuri sistemi elettrici.