Dağıtık Üretim Tesisi Tabanlı Yeni Nesil Enerji Şebekelerinde Adaptif Koruma Yaklaşımı

Özet

Teknolojinin gelişmesiyle birlikte dünya üzerinde enerjiye talep her geçen gün artmaktadır. Enerji üretiminin büyük bir çoğunluğu fosil yakıtlardan sağlanmaktadır. Fosil yakıtların giderek azalması ve çevreye verdiği zararlardan dolayı enerjiye bağımlı hale gelen tüketiciler yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmiştir. Küçük ve orta büyüklükteki enerji üretim santrallerinin ekonomik açıdan kurulabilmesi, yeryüzünde dağınık şekilde bulunan yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik enerji üretiminde kullanılmasını sağlamaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarını da içeren dağıtık enerji sistemlerinden oluşan yeni nesil şebeke sistemleri, günümüzde akıllı şebekeler kapsamında yüksek verimlilik, güvenilirlik ve sürdürebilirlik konusunda önemli gelişmeler sağlamıştır.

Akıllı şebekeler kavramı dikkate alındığında çözülmesi gereken en önemli hususlardan birisi geleneksel koruma sistemlerinin yetersiz kalmasıdır. Şebekeler, üretim – tüketim güç dengesinin zamanla değişmesinden dolayı, değişken ve belirsiz hata karakteristikleri göstermektedir. Bahsi geçen sorunları çözmek için geleneksel sistemin oluşturduğu dezavantajlar ortadan kaldırılmalı ve geliştirilmiş şebeke çözümleri sunulmalıdır. Şebekede meydana gelmesi muhtemel arızaları algılama ve anında müdahale için güvenilir ve hızlı bir koruma sistemine ihtiyaç duyulmaktadır.

Geleneksel koruma yöntemiyle üretilen ve tüketilen gücün değişmeyeceği varsayılarak tek bir durum için koordinasyon hesaplamaları yapılarak rölelere değerler tanımlanmakta ve koordine edilmektedir. Dağıtık üretim sistemlerinin şebekelere dahil edilmesi ile birlikte belli periyotlarda sistem üzerinde üretilen ve tüketilen güçler arasında değişimler meydana gelebilmektedir. Şebekedeki değişen durumlar için kendini adapte edilebilen (Adaptif) bir koruma sistemi gerekmektedir. Adaptif koruma sistemleri, dağıtık üretim sistemlerinin artması ile birlikte enerjinin çift yönlü iletimi ve üretilen-tüketilen güçlerin zamanla değişkenlik gösterdiği durumlar için dağıtım sistemleri üzerindeki hatalı koruma sistemlerinin önüne geçerek bir çözüm olmaktadır.

Bu çalışmada ETAP® Programı kullanılarak şebeke modellemesi yapılmış, yüklerin önem sırasına göre oluşabilecek farklı senaryolarda değişen değerleri ilgili röleye tanımlayarak akıllı şebeke oluşturulup, adaptif bir koruma yapılması hedeflenmektedir.

Anahtar Kelimeler: Adaptif koruma, akıllı şebeke, dağıtık üretim, yenilenebilir enerji kaynakları, röle koordinasyonu

1.Giriş

Enerji ihtiyacı günümüzde giderek artan bir sorun haline gelmektedir. Ülkeler enerji ihtiyacının büyük bir çoğunluğunu fosil yakıtlar, hidroelektrik ve nükleer enerji kullanarak karşılamaktadır. 2016 British Petroleum (BP) Dünya Enerji İstatistikleri Raporuna göre üretilen elektrik enerjisinin %32,9’u petrolden, %29,2’si kömürden %23,2’si doğal gazdan %15,2’si yenilenebilir enerji sistemlerinden (YES) üretilmektedir [1]. Tüketicilere uzak enerji üretim santralleri kurulum maliyetinin düşük oluşu, kaynaklara yakınlığı gibi nedenlerle verimli olarak düşünülse de genellikle üretilen enerjinin kullanıcılara iletimi için uzun enerji iletim hatları kullanılmakta ve enerji kayıpları artmaktadır. Bunun yanı sıra bu yöntemlerin çevreye de olumsuz etkileri bulunmaktadır [2].

Hızla sanayileşen dünyamızda elektrik enerjisinin kesintiye uğraması mali anlamda ülkelere ve şirketlere zarar vermektedir. Bu noktada enerjinin sürekliliği hayati bir önem taşımaktadır [3,4]. Enerji sürekliliği sağlanırken aynı zamanda üretilen enerjinin kaliteli ve ekonomik olması hedeflenmektedir. Kesintisiz, kaliteli ve ekonomik bir enerji üretilirken, üretimden tüketime kadar tüm sistemler incelenmeli ve hem maliyet hem de kayıplar minimize edilmelidir. Böylelikle geleneksel metotlar bir kenara bırakılıp enerjinin yönetilebileceği akıllı şebekelere geçiş önem kazanmaktadır [5,6].

Akıllı şebekenin sunduğu özellikler aşağıda belirtilmektedir [7];

• Bölgeler arasında güç transferi
• Geleneksel sistemle yönetilen şebekedeki öngörülemeyen olayların ve belirsizliklerin çözülmesi
• İletim ve dağıtım şebekelerinin iletim kapasitesini en iyi duruma getirme ve enerji kalitesini en iyi koşullara getirme

Enerji kayıplarını azaltmak için alternatif enerji üretim tesisleri tüketicilere yakın konumlara kurulmaktadır. Gelecekte artık her bina kendi elektriğini üretip şebekeye enerji satabileceği öngörülmektedir. Bu sistemlerin etkin bir biçimde şebekeye entegre edilmesi söz konusudur [8]. Akıllı şebekelerle birlikte tek yönlü iletimden çift yönlü iletime geçilecek yenilenebilir enerji kaynakları aktif olarak kullanılacaktır. Bu üretim şekli “dağıtık üretim” olarak adlandırılmaktadır [9].

Dağıtık üretim sistemlerinin yaygınlaşmasıyla birlikte şebekedeki nominal akım ve gerilim değerleri anlık değişim gösterebilmektedir. Bu değişime ayak uydurulabilmesi için şebeke açısından düşünüldüğünde, sistemdeki tüm noktaların koordineli, değişen durumlarda kendini adapte edebilen, maliyet açısından uygun, kontrol edilebilen bir yapıda olması gerekmektedir. Bu sayede akıllı bir yapı oluşturulmaktadır [10].

Bu çalışmada,  literatürde pek çok çalışmada referans alınan bir şebeke modeli olan IEEE 4 Baralı dağıtım şebekesi test sistemi üzerinde modifikasyonlar yapılarak bir şebeke modeli oluşturulup, şebeke modelinde önemli olarak tanımlanan hastane yükünün enerjisiniz kalmaması istenmektedir. Bu durum dikkate alınarak 3 farklı senaryo üzerinde incelemede bulunulmuştur. Her senaryo için yük akışı ve kısa devre analizleri yapılmıştır. Bu değerleri kullanarak senaryoların röle koordinasyonları sağlanmıştır. Şebekeye bağlı tüketicilerin asenkron motor ve çeşitli empedans yüklerine sahip olduğu kabul edilmektedir. Yapılan çalışmada oluşturulan sistem akıllı şebeke altyapısına uygun olarak modellenmektedir. Kısa devre oluşan noktanın transformatöre olan mesafesi ile hata akım değerlerinin sistemde başka bir kesicinin açılmasına neden olmasını önlemek amacıyla koruma stratejisine seçicilik faktörü de eklenmektedir.

2. Sistem Tanıtımı

Oluşturulan simülasyonda IEEE 4 baralı test sistemine [11] Şekil 2.1’de görüldüğü gibi dağıtık üretim tesisi eklenip sistemin koruma ve kontrolü sağlanmaktadır.

IEEE 4 baralı sistemi, dağıtık üretim olmayışı, tek bir kaynaktan beslenmesi ve tek bir yük olmasından dolayı çalışma amacına ulaşabilmek için düzenlemeler ve eklemeler yapılmatadır.[12,13] IEEE 4 baralı sistemine ek olarak eklenen bileşenler tablo 2.1’de gösterilmektedir.

Tablo 2.1: Şebekeye Bağlanan Yük ve Ekipmanlara Ait Güç ve Gerilim Değerleri

Sistem, önemli olarak belirtilen hastane yükünün enerjisiz kalmayacağı düşünülerek dizayn edilmektedir. Bu modelde geliştirilen kontrol sistemi sayesinde oluşturulan arızadan sonra sadece hata bölgesi sistemden izole edilmekte, uygun olan diğer bir hatla tüketicilerin beslenmesi hedeflenmektedir. Bu durumu sağlamak için röle ve kesici koordinasyonu gerçekleştirilmektedir. Ayrıca sistemde Siemens 7.2-3AH-20 model kesiciler  [14] ve Siemens 7SJ602 model röleler [15] kullanılmaktadır. Röle koordinasyonu için IEC normal invers eğrisi seçilip eşitlik 1.1’de belirtilen formül kullanılmaktadır [16].

3. Metodoloji

Adaptif koruma ve röle koordinasyonu algoritmasına ait akış diyagramı Şekil 3.1’de görülmektedir. Algoritma mantığında öncelikle yüklerin akım ölçümü yapılarak sistem için tanımlanan senaryo 1, senaryo 2 veya senaryo 3’ten uygun olan seçilmektedir. Bununla birlikte röle değerleri otomatik düzenlenmektedir. Yük akımının değişmesi durumunda yeni yük akımına göre uygun senaryo belirlenmektedir.

Her senaryo için güncel röle açma ayar değerleri ve adaptif koruma prensibi önceden oluşturulmaktadır. Böylece geliştirilen algoritmayla adaptif koruma stratejisi tamamlanıp, şebekenin hangi senaryoda çalışılacağına karar verilerek güncel röle açma değerleri belirlenmiş ve arıza esnasında en uygun röleler açma yaptırılarak arıza ortadan kaldırılmaktadır.

4. Farklı Hata Senaryolarının Analizi

Bu çalışmada, farklı hata senaryolarını yerine getirmek için şekil 2.1’deki dağıtım sistemi, test sistemi olarak seçilmektedir. Şekil 4.1’de gösterilen F1, F2 ve F3 arızaları test sistemindeki üç farklı bölgedeki arıza akımlarının etkilerini gözlemlemek için tanımlanmaktadır.

Şekil 4.1: Hata Noktalarına Ait Şebeke Modeli

Üç farklı senaryo tablo 4.1’de görüldüğü üzere, daha önce bahsedilen hastane yükünün enerjisiz kalmaması için planlanmaktadır. Simülasyonlarda, tüm senaryolar için belirlenen noktalarda üç faz hatası uygulanmaktadır. Kesicilerin açma sırası takip edilerek rölelerin seçicilikleri analiz edilmektedir.

Tablo 4,1: Sistem Bileşenlerinin Senaryolara Göre Davranış Durumları

4.1. Senaryo 1

Referans olarak kullanılan şebeke modeli şekil 4.1.1’deki gibi uyarlanıp ve ilk senaryo oluşturulmuştur. Bu senaryoda hava koşullarının, rüzgar türbininin nominal gücüne ulaşması için yeterli olduğu düşünülüp hem ana şebekeden hem de rüzgar türbininden şebeke beslenmektedir. Generatör devre dışıdır. Sistemde arıza noktaları olarak F1,F2,F3 seçilmiştir.

Şekil 4.1.1: Senaryo 1 Şebeke Modeli

4.2. Senaryo 2

Senaryo 2, referans olarak kullanılan şebeke modeli şekil 4.2.1’deki gibi uyarlanmıştır. Bu senaryoda sistem sadece ana şebekeden beslenmektedir. Hava koşulları rüzgar türbinin çalışması için elverişli değildir. Rüzgâr türbini ve generatör devre dışıdır. Sistemde arıza noktaları olarak F1,F2,F3 seçilmiştir.

4.3. Senaryo 3

Referans olarak kullanılan şebeke modeli şekil 4.3.1’deki gibi uyarlanıp ve senaryo 3 oluşturulmuştur. Bu senaryoda ana şebeke ile yük barası arasındaki herhangi bir bölge üzerinde iletim hattı, transformatör, bara, kesici gibi şebeke elemanlarının arızalı veya bakımda olduğu varsayılmaktadır. Hastane ve yük rüzgâr türbini ve generatör ile enerjilendirilmektedir. Bu durumda şebeke ada modundadır. Sistemde arıza noktaları olarak F1 ve F3 seçilmiştir.

Tablo 5.1: Senaryolara Göre Röle Parametreleri

5. Simülasyon Sonuçları

Bu bölümde ETAP® Programı üzerinde oluşturulan olası üç senaryo simüle edilmiş olup sonuçları analiz edilip sonuçlar verilmektedir.

Dağıtım sistemleri, parametreleri ve senaryoları dinamik şekilde değişen bir sistemdir. Röle koordinasyonu yapılırken senaryoların değişimi göz önünde bulundurularak rölelere yeni parametreler atanmalıdır. Burada yapılan adaptif korumanın amacı sistemin muhtemel senaryolara göre en uygun şekilde korumasının sağlanmasıdır. Bu çalışmada röle koordinasyonunu sağlamakla birlikte istenilen kesici açma zamanı elde edilmektedir.

Optimum röle koordinasyonunu sağlamak için röle koordinasyonundaki en önemli parametre olan röle açma ayar değerinin hesaplanması koruma yapısının temelini oluşturmaktadır. Aşırı akım rölesi kullanılarak gerekli hesaplamalar yapılıp ve sırasıyla tüm rölelerin ayar değerleri bulunarak koordinasyon sağlanmaktadır.

Örnek bir koordinasyon hesabı için senaryo 2 (şekil 4.2.1) üzerindeki R1-R2-R4-R5-R6 rölelerinin değerleri hesaplanmaktadır. Hesabın yapılabilmesi için baralardaki yük ve kısa devre akımlarının bilinmesi gerekmektedir. Ayrıca koordinasyon hesabı yapılırken kaynağa en uzak noktadaki röleye (R1) ait zaman çarpanı (Tp) değeri 0,05 sn alınmıştır. Koordinasyon zaman payı 0,2 sn seçilmiştir. Bara 1 kısa devre akımı ( 9,83 kA, bara 2 kısa devre akımı  9,33 kA ; R1 ve R4 yük akımları eşit olup değeri  281 A, R2 üzerinden geçen yük akımı ise 140,5 A dir. Rölelerin çalışma akımlarını  hesaplarken yük akımı 1.2 katsayı ile çarpılmıştır.

Röle değerlerini hesaplarken koordinasyon zaman payı standart olarak 0,2 sn belirlenmiştir. Fakat R1-R4 koordinasyonu gerçekleştirilirken rölelerin yük akımları eşit olduğundan dolayı 0,1 sn olarak seçilmiştir.

Röle değerlerini hesaplarken koordinasyon zaman payı standart olarak 0,2 sn belirlenmiştir. Fakat R1-R4 koordinasyonu gerçekleştirilirken rölelerin yük akımları eşit olduğundan dolayı 0,1 sn olarak seçilmiştir.

R1-R4 koordinasyonu

R4-R6 koordinasyonu

Örnekte görüldüğü gibi her senaryo için tüm rölelerin paremetreleri hesaplanmış olup, simülasyon üzerinde ilgili rölelere tanımlanmaktadır. Değerler tablo 5.1’de görülmektedir. Tabloda görünen “X” işareti, rölenin belirtilen senaryoda kullanılmadığını ifade etmektedir. 

Senaryolardan bağımsız hiçbir durumda değerleri değişmeyen rölelerin değerlerin tablo 5.2’de verilmektedir.

Tablo 5.2: Senaryolara Göre Değişmeyen Röle Parametreleri

F1,F2,F3 arıza noktaları sistemde sırası ile hat sonundaki yük, bara 2 ve trafo girişi olarak seçilmiş ve belirtilen arıza noktalarında üç fazlı kısa devre arızaları oluşturulup sonuçlar elde edilmektedir. Elde edilen sonuçlar tablo 5.3’de verilmektedir. Tabloda görüldüğü gibi her senaryo için ayrı ayrı arıza durumlarına göre rölelerin çalışma durumu ve açma süreleri farklıdır.

Örneğin, sonuçları daha net gözlemleyebilmek için R6 rölesini ele alalım. Senaryo 1’de F2 noktasındaki kısa devre arızasında röle, 453 ms’de açma komutu verirken senaryo 2’de aynı arıza noktasında ise 385 ms sürede açma komutu vermektedir. Adaptif koruma yöntemi ile senaryolara göre röleler kesicilere doğru zamanlarda açma komutu vermektedir. Geleneksel yöntem ile röleler koordine edilseydi röleler beklenilen zamanda açma yapamazlardı.

Adaptif koruma yöntemi ile dinamik şebekelerin her durumları için koordineli ve doğru zamanda açan röle değerleri tanımlanmaktadır. Geleneksel yöntemde ise tek bir duruma göre hesaplamalar yapılmakta ve röleler tek duruma göre koordine edilmektedir. Bu çalışmada simüle edilen sistem geleneksel yöntem baz alınarak koordine edildiği varsayılmaktadır.

6. Sonuçlar

Gerçekleştirilen çalışmada akıllı şebeke alt yapısına uygun bir şebeke dizayn edilmiş olup ana şebekeye ek olarak rüzgar türbini , dizel generatör gibi enerji kaynaklarının yük akışı ve kısa devre katkısı göz önünde bulundurularak muhtemel senaryolar için gerekli simülasyonlar yapılıp, hata analizleri incelenmiştir. Şebekelerde oluşan arızalar sonucu şebekeye bağlı tüketiciler enerji kesintisi yaşamaktadır ve bu durum sistemin verimliliğini ve güvenirliliğini olumsuz yönde etkilemektedir. Bu sistemde enerji kesintisinin yaşanmaması ve rölelerdeki yanlış açma durumunun önüne geçmek için bir algoritma tasarlanmaktadır.  Şebekedeki arz ve talebin değişme durumuna göre rölelere yeni değerler atanmıştır.

Oluşturulan sistem, şebekenin hangi senaryoda olduğunu algılayıp o senaryonun önceden hesaplanmış röle paremetlerini ilgili rölelere atayarak adaptif bir koruma sağlamış olur. Böylelikle sistemde yanlış bölgenin izole edilmesinin önüne geçilmiş olup rölelerin istenilen zamanda açma yapması sağlanmaktadır. Edinilen sonuçlardan, adaptif koruma sisteminin, dağıtım şebekeleri üzerindeki bileşenlerinin korunması için önemli bir faktör olan açma süreleri bakımından geleneksel röle koordinasyonuna kıyasla daha verimli sonuçlar sağladığı açıktır.

Yapılan çalışma küçük ölçekli bir dağıtım şebekesi olup  gelecek çalışmada, adaptif röle koordinasyonunun, akıllı şebeke kavramı göz önüne alınarak daha büyük ölçekli bir dağıtım şebekesinde değerlendirilmesi hedeflenmektedir.

Tablo 5.3: Rölelerin Senaryo ve Hatalara Göre Açma Süreleri (ms)

7. Kaynakça

• BP Statistical Review of World Energy, http://www.bp.com/statisticalreview, 2016
• Koç, E., ve Şenel, M. C., “Dünyada ve Türkiye’de enerji durumu-genel değerlendirme.”, Mühendis ve Makina 54.639:32-44, 2013
• EMO İzmir Şubesi, “Enerji Raporu 2015”, http://www.emo.org.tr/ekler/8ad629847c27f66_ek.pdf?tipi=4&turu=H&sube=7, 2015
• Chen, C. R., LEE, C. H., “Adaptive overcurrent relay coordination for off-peak loading in interconnected power system.” International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2014, 63: 140-144,
• Cardenas, J. A., et al. A literature survey on smart grid distribution: an analytical approach. Journal of Cleaner Production, 65: 202-216, 2014.
• Momoh , J.A., Smart Grid Design for Efficient and Flexible Power Networks Operation and Control, IEEE Power and Energy Society (PES) General Meeting, 2008.
• Jıao, Z., Gong, H., WANG, Y. A DS Evidence Theory-based Relay Protection System Hidden Failures Detection Method in Smart Grid. IEEE Transactions on Smart Grid, 2016.
• Çetinkaya, H. B. ve Dumlu, F., “Dağıtık Üretim Tesislerinin Şebeke Entegrasyonunda Yaşanabilecek Olası Problemler ve Entegrasyon Analizleri”. Akıllı Şebekeler ve Türkiye Elektrik Şebekesinin Geleceği Sempozyumu., 2013
• Alagoz, B.B., Kaygusuz, A. ve Karabiber, A., “A user-mode distributed energy management architecture for smart grid applications,” Energy, 44:167-177, 2012.
• Mısak, S., et al. A novel approach to adaptive active relay protection system in single phase AC coupling Off-Grid systems. Electric power systems research, 131: 159-167, 2016.
• DSASR, Distribution System Analysis Subcommittee Report, Radial Distribution Test Feeders, available at http://ewh.ieee.org/soc/pes/dsacom/testfeeders.html, 2 Mart 2017.
• ATEŞ, Y., Dağıtık Üretim Tesisleri İçeren Şebekeler İçin Akıllı Ve Adaptif Bir Koruma Metodunun Geliştirilmesi, Doktora Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2016
• Turan, M. T., Akıllı şebekelerde arıza analizi ve koruma (Doctoral dissertation), 2016
• Siemens 7.2-3AH-20 kesici kataloğu https://support.industry.siemens.com/cs/products/3rt1025-3ah20/contactor-ac-3-7-5-kw-400-v-?pid=152200&mlfb=3RT1025-3AH20&mfn=ps&lc=en-US
• Siemens 7SJ602 röle kataloğu, https://www.downloads.siemens.com/download-center/Download.aspx?pos=download&fct=getasset&id1=DLA06_2175
• IEC Normal İnvers Eğrisi, http://www2.schneider-electric.com/documents/electrical-distribution/en/shared/interactive-catalogue/seped303005en/seped303005en/pdfs/page_103.pdf

YAZARLAR

Yıldız Teknik Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü

Çağrı YÜNGEVİŞ,

Denizhan AYSEL,

Numan KORKMAZ,

Yavuz ATEŞ,

Mehmet Tan TURAN

İletişim

cagriyungevis@gmail.com

denizhan.aysel@gmail.com

numankorkmazz@gmail.com

yates@yildiz.edu.tr

mehmettan.turan@emo.org.tr