DESTEK AKADEMİK MAKALELER KORUMA SİSTEMLERİNDE OLAY KAYDEDİCİLER

KORUMA SİSTEMLERİNDE OLAY KAYDEDİCİLER

KORUMA SİSTEMLERİNDE OLAY KAYDEDİCİLER

Mustafa İŞBECEREN1

Nevzat ONAT2

1Telepro Enerji ve Elektronik Sistemleri San. Tic. Ltd. Şti., 34785, Ataşehir, İstanbul

2Marmara Üniversitesi, Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu, 34722, Kadıköy, İstanbul

Özet

Bu çalışmada koruma sistemlerinde meydana gelen olayların kaydedilmesini gerektiren nedenler, olay ve olay/arıza kaydedici sistem çeşitleri araştırılmıştır. Olay kaydedici ekipmanların sistemin güvenirlik, kararlılık gibi güç kalitesini doğrudan etkileyen parametrelerin iyileştirilmesinde çok önemli bir işlevi vardır. Sağladıkları anlık ve istatistiksel verilerin doğru analizi ile enerji sistemlerinde devre dışı kalma süreleri kısaltılabilir. İstatistiksel analizler sonucu hata kaynakları tespit edilerek, gerekli bakım, onarım, değiştirme kararları önceden alınarak muhtemel kesintilerin önüne geçilebilir veya arızanın yayılması önlenerek temizlenme süreleri kısaltılabilir. 

Giriş

Enerji sistemlerinde güç kalitesi, bazı durumlarda çok önemli üretim süreçlerinin de durmasına yol açarak büyük maddi kayıplara yol açan çok çeşitli arıza olaylarının tespiti ve analizini kapsayan bir kavramdır. Bu kavram temel olarak sistemdeki her elemanın arızalanma ve tüketicilerin enerjisiz kalma olasılıklarını inceleyen güvenirlik (reliability) analizine dayanır. Güvenirlik terimi sistemdeki kurulu gücün ve enerji arzının bütün tüketicileri beslediği varsayımına dayanmaktadır. Kurulu güç yetersizliği nedeniyle oluşacak kesinti veya kayıplar bu kavramı doğrudan etkilese de tanımı içerisine girmez. Bir elemanın arıza oranlarını önceden belirlemek için birçok ihtimal hesaplamalarına dayalı modellemeler vardır. Bunlar; eleman arıza durumlarının zamanla değişen Weibull dağılımını ve çalışır durumda kalma oranı ile ilgili çalışmaları içerir. Buna rağmen, aşağıdaki faktörlerden dolayı genellikle öngörülen arıza oranları ile karşılaşılan arıza oranları arasında bazı farklar olabilir:

  • Arızanın tanımı,
  • Öngörülen çevre ile gerçek çevrenin karşılaştırılması,
  • Test aygıtları, sürdürülebilirlik, destek ve özel personel,
  • Öngörü yaparken kabul edilen eleman arıza oranları ve elemanların gerçek arızaları,
  • Denetim ve kalite kontrol içeren imalat yöntemleri,
  • Arıza zamanlarının dağılımları,
  • Eleman arızalarının bağımsızlığı [1].

Bir dağıtım sisteminin güvenirlik analizi genellikle sistemin tüketici ucundaki, diğer bir deyişle yük noktalarındaki performansı ile ilgilidir. Bir dağıtım sisteminin güvenirliğini önceden söylemek için kullanılan temel dizinler: yük noktası arıza oranı, ortalama devre dışı kalma süresi ve yıllık kullanılamama oranıdır. Temel dizinler bireysel bir tüketici noktası açısından önemlidir, fakat bunlar kapsamlı bir sistem performans değerlendirmesi yapmada yeterli değildir. Sistem içinde her yük noktasına bağlı olan yük/tüketici sayısı ve bu üç temel dizin kullanılarak ek bir dizin kümesi hesaplanabilir. Bu ek dizinlerin çoğu, temel yük noktası verilerinin ağırlıklı ortalamalarıdır. En genel ek dizinler veya sistem dizinleri: Sistemin ortalama kesime uğrama frekansı (System Avarage Interruption Frequency  Index (SAIFI)), Sistemin ortalama kesime uğrama süresi (System Avarage Interruption Duration Index (SAIDI)), Tüketicinin ortalama kesime uğrama süresi (Customer Avarage Interruption Duration Index (CAIDI)), Ortalama servis verilebilme süresi (Avarage Service Availability Index (ASAI)), Ortalama servis verilememe süresi (Avarage Service Unavailability Index (ASUI)), Sağlanmayan enerji (Energy Not Supplied (ENS)) ve Sağlanmayan ortalama enerji (Avarage Energy Not Supplied (AENS)). Bu sistem dizinleri, sistemin kesilme verilerinden geniş ölçüde yararlanılarak ve sistemin tarihsel performansı hakkında değerli veriler sağlamak suretiyle de hesaplanabilir. Sistemin gelecekteki performansı için aynı temel dizinleri hesaplayabilmek için, geçmişteki performans ölçümlerini kullanmak son derece önemlidir. Bir dağıtım sisteminin güvenirlik dizinleri, tamamen rastlantısal olan, arızaları, onarımların ve yenileme işlemlerinin sürelerinin fonksiyonlarıdır.  Bu nedenle, hesaplanan dizinler rastlantı değişkenleridir ve olasılık dağılımlarıyla ifade edilebilirler. Geleneksel dağıtım sistemi güvenirlik değerlendirmeleri normal olarak hesaplanan dizinleri sadece ortalama değerleriyle ilgilenirler. Bundan başka dikkate değer ek bir bilgi de, hesaplanan her dizinin dağıtım sisteminin planlayıcıları, tasarımcıları ve yöneticileri ile ilişkisidir. IEEE (Instutie of Electrical and Electronics Enginering) komitesinin raporuna göre bir teçhizatın devre dışı kalma raporu aşağıdaki temel bilgileri içermelidir.

  • Tip, dizayn, imalatçı firma ve sınıflandırma için gerekli diğer bilgiler.
  • Kurulum tarihi, sistemin yeri, hat olması halinde uzunluğu.
  • Arıza çeşidi (kısa devre, yanlış işletme v.b.).
  • Arıza sebebi (yıldırım, ağaç v.b.).
  • Arızanın olduğu zaman (yalnız devre dışı kalma süresinden çok, servis dışına çıkma ve tekrar servise alınma saati), tarih ve meteorolojik koşullar.
  • Devre dışına çıkma tipi (zorlamalı veya planlı, geçici veya sürekli)

Ayrıca komite her elemanın her servis yılındaki devre dışı kalma oranının elde edilmesi için, serviste olan benzer elemanların toplam sayısının da raporda belirtilmesini önermiştir. Ayrıca ayırım yapmaksızın her eleman arızasına, servis kesintisi yapsın yapmasın, elemanın arıza oranını doğru bir şekilde bulması için rapor edilmesini önermektedir. Arıza raporları eleman değişimleri ve önleyici bakım programları için çok değerli bilgiler sağlarlar [2, 3].

Enerji Sistemlerinde Devre Dışı Kalma Tanımları

Güvenirlik analizi devre dışı kalmaların çeşitlerinin de bilinmesini gerektirir. Aşağıdaki tanımların çoğu elektriksel dağıtım ünitelerinin devre dışı kalması ve kesime uğramaları ile ilgili analiz ve rapor edilmesinde kullanılan terimlerdir ve ABD Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü’nün kabul ettiği tanımlardır.

Devre dışı kalma (Outage): Bir eleman, bu elemanla direkt olarak ilişkili bazı olaylar sebebiyle normal fonksiyonlarını yerine getiremediği durum olarak tanımlanır. Bir devre dışı kalma olayı sistem yapısına bağlı olarak tüketicilere verilen serviste bir kesilmeye sebep olabilir veya olmayabilir.

Zorlamalı devre dışı kalma (Forced Outage): Bir elemanla direkt olarak ilişkili ve elemanın derhal servis dışına alınmasını gerektiren tehlikeli durumlarda oluşan bir devre dışı kalmadır. Ya otomatik olarak veya olabildiğince hızlı anahtarlama operasyonları ile sağlanabilir. Veya diğer bir çeşidi de teçhizat veya insan hatasının sonucu olarak oluşan gereksiz devre dışı kalmalardır.

Planlı devre dışı kalma (Scheduled outage): Genellikle yapı, önleyici bakım veya tamir amaçlı olarak belirlenen bir zamanda bir elemanın kasıtlı olarak servis dışına alındığı devre dışı kalmadır. Bir devre dışı kalmanın zorla mı yoksa planlı olarak mı olduğu aşağıdaki gibi anlaşılır. Eğer bir ekleme istendiğinde devre dışı kalma olayı ertelenebiliyorsa, bu tip devre dışı kalma planlıdır. Aksi halde zorlamalı devre dışı kalmadır. Bir devre dışı kalma ertelemesi, örneğin tesislerin aşırı yüklenmesini veya tüketicilere verilen servisin kesilmesini önlemek için istenebilir.

Kısmi devre dışı kalma (Partial outage): Bir elemanın fonksiyonunu yerine getirme kapasitesinin azaldığı fakat tamamıyla yok olmadığı durumdur.

Geçici zorlamalı devre dışı kalma (Transient forced outage): Devre dışı kalan bir elemanın devre dışı kalmasına sebep olan durumun derhal giderildiğinde etkilenen elemanın, otomatik olarak, hızlı bir anahtarlama veya kesicinin tekrar kapatılması veya bir sigorta değiştirmek suretiyle tekrar servise alınabildiği durumdur. Geçici zorlamalı devre dışı kalmaya şimşeğe maruz kalan elemanın sürekli olarak açık kalmadığı bir şimşek çakması örnek olabilir.

Sürekli zorlamalı devre dışı kalma (Persistent forced outage): Nedeninin derhal onarıldığı fakat devreye alınmadan önce etkilenen elemanın değiştirme, onarım veya tehlikenin yok edilmesi yoluyla düzeltmek zorunda olduğu devre dışı kalmalardır. Bu tip olaya örnek olarak bir izolatörü parçalayan, ve bununla ilgili olarak elemanın onarımı ya da değişimi yapılana kadar devreyi engelleyen bir şimşek çakması gösterilebilir.

Kesinti (Kesilme) (Interuption): Sistem yapısına bağlı olarak bir veya daha fazla elemanın devre dışı kalması sonucu bir veya daha fazla tüketicinin veya diğer birimlerin servis kaybetmesidir.

Zorlamalı kesinti (Forced interruption): Zorlamalı devre dışı kalma nedeniyle oluşan kesintidir.

Planlı kesinti (Scheduled interruption): Planlı bir devre dışı kalma nedeniyle oluşan kesintidir.

Anlık (Geçici) kesinti (Momentary interruption): Bu kesinti, otomatik veya uzaktan kumanda operasyonları veya herhangi bir operatörün olduğu yerde elle anahtarlama yoluyla tekrar servis sağlanabilmesi için gerekli sınırlı bir zaman periyoduna sahiptir. Anahtarlama operasyonları genellikle birkaç dakika içinde tamamlanır.

Geçici kesinti (Temporary interruption): Bu kesinti, manüel anahtarlamalı her an bir operatörün bulunmadığı yerlerde servisin tekrar verilmesi için bir anahtarlama periyodunun geçmesi gerekir. Bu tip anahtarlama operasyonları 1-2 saatte tamamlanır.

Sürekli kesinti (Sustained interruption): Anlık veya geçici olarak sınıflandırılamayan kesintidir [2, 3].

Yukarıda tanımları verilen kesintilere neden olan arızalar ise başlıca 4 grupta toplanır.

Geçici Arızalar (Transient Failures): Çok kısa süreli ve tipik olarak çok hızlı bir şekilde kesici operasyonu ile temizlenen arızalardır. Bu olaylar genellikle yüksek hızlı koruma sistemlerinde 8 periyottan, seçici sistemlerde ise 16 periyottan önce temizlenmiş olur.

Kısa Süreli Arızalar (Short-term Failures): Genellikle sistemin çalışması (kararlılığı) üzerinde bir etkisi olmayan bütün diğer zaman gecikmeli koruma ve yeniden devreye alma olayları bu kavramın kapsamına girer. Bu olay süreleri 20-60 periyot aralığındadır. Eğer arızanın temizlenmesi için birden fazla koruma işlemi gerekiyorsa daha uzun sürebilirler. Bu olaylar genellikle doğru koruma işlemlerini, arıza yerini veya sistem model parametrelerini doğrulamak için analiz edilirler.

Uzun Süreli Arızalar (Long-term Failures): Bu tip olaylar güç salınımları, frekans değişimleri ve anormal gerilim problemleri gibi sistem kararlılığını etkileyen arızlardır. Genellikle hatalı sistem operasyonlarının nedenlerini belirlemek için analiz edilirler. Çok sayıda örneklemeleri işlemek ve gerekli parametrelerin kaydedilmesini sağlamak için veri yönetim teknikleri kullanılır.

Sürekli Arızalar (Steady-state Failures): Sistemin çalışmasını tehdit etmeyen ancak güç kalitesini etkileyen sürekli bozucu etkilerdir. Bu tip arızalarda güç sisteminin bileşenleri arasındaki etkileşimler ve/veya yükler tarafından üretilen harmonikler bulunabilir. Arızanın çeşidine bağlı olarak gerekli dataların ve olayların tespit edilmesi için yüksek örnekleme sayısına sahip kayıt sistemleri kullanılması gerekir [4].

Olay Kaydediciler

Yukarıda yapılan arıza tanımlarından da görüldüğü gibi, enerji sistemlerinde meydana gelen arızaların kaydedilmesi ve analizi çok önemli bir işlemdir ve mümkün olduğu kadar fazla parametreyi içeren ayrıntılı kayıtlar tutulmalıdır. Bu işlem güç sistemlerinde koruma sistemlerinin kullanılmaya başlanmasıyla birlikte çeşitli şekillerde uygulanmaktadır. Uzun yıllar hazır formlar, arıza kayıt defterleri ve kişisel bilgisayarlara operatörler tarafından olayın kaydedilmesi yoluyla yapılmıştır. Bu yöntemin çok önemli sakıncalar içermesi ve özellikle yukarıda sözü edilen güvenirlik analizi için gerekli istatistiksel verileri sağlamada yetersiz kalması olay kaydetme işleminin kişilerden bağımsız gerçekleştirilmesini zorunlu hale getirmektedir. Şekil 1’de olay kaydetmede amaca yönelik ekipman ve sistem çeşitleri gösterilmiştir. Bu çalışmanın kapsamına giren sıralı olay kaydediciler sistemdeki her durum değişikliğini zaman gecikmesiz olarak kaydeden cihazlardır.

Koruma Sistemlerinde Olay Kaydediciler Şekil 1. Olay Kaydetme Yöntem ve Ekipmanları [4].

Günümüzde uzun yıllardır kullanılan dijital arıza kaydedicileri ve mikroişlemci tabanlı koruma röleleri çeşitli formlarda ve dizinlerde arıza kaydı yapabilmektedir. Fakat bu sistemle yapılan arıza kayıtlarında her cihazın farklı formatta veri depolaması, birden fazla cihaz tarafından tutulan verilerin bir merkezde toplanması ve analiz edilmesinde önemli zorluk ve karışıklıklar meydana gelmektedir. Ayrıca bazı olaylarda birden fazla cihazın aynı olayı kaydetmesi ile bu cihazlar arasındaki zaman senkronizasyonu nedeniyle alınan veriler hatalı olabilmektedir. Bu sakıncaların giderilmesi ve çok geniş şebeke parçalarında meydana gelen arızaları zaman gecikmesi olmaksızın tek merkezde kayıt altına alan ve yazılım kontrollü yetkilendirme ile çeşitli şekillerde paylaşabilen olay kaydetme sistemleri kullanımı yaygınlaşmaktadır. Olay kaydetme; sistemdeki arıza veya arıza niteliği taşımayan tüm hareketlerin kayır altına alınması ve koruma sisteminin performansının izlenmesi olarak iki temel amaç için gerçekleştirilir. Bu sistemlerin mikroişlemci tabanlı olay kaydedebilen röle veya dijital arıza kaydedicilere göre avantajları şu şekilde özetlenebilir:

  • Rölelerde meydana gelen arızalardan veya kısmi kaydetme hatalarından bağımsızdırlar.
  • Birçok dijital röle analog sinyalleri filtreleyerek arıza kayıtlarında dikkate almamaktadır. Olay kaydediciler bütün sinyalleri kayıt altına alırlar.
  • Daha yüksek kaydetme hafızasına sahiptirler ve uzun süreli kayıtlar tutabilirler.
  • Daha hızlı örnekleme oranlarına sahiptirler.
  • Frekans cevapları daha geniştir.
  • Daha çok tetikleme seçenekleri içerecek şekilde tasarlanırlar.
  • Birçok güç sistemi bileşenini aynı anda izleme işlemi yapabilirler.
  • Özellikle rüzgâr ve güneş, esnek AC iletim sistemleri, statik VAR generatörleri, ark fırınları ve değişken frekanslı sürücü sistemlerinde güç kalitesini etkileyen unsurların izlenmesinde kullanılabilir.
  • Paralel çalışma kombinasyonlarında kullanılan büyük güçlü oto transformatörlerinin yüksek ilk anahtarlama akımlarının izlenmesi ve neden olabileceği problemlerin analizinde faydalı bilgiler sağlayabilirler.
  • Arızalar esnasında sistem cevaplarını geniş bir spektrum içerisinde sunabilirler.
  • Ayrıntılı ve tek merkezli arıza kayıtlarının analizi kolaylaşır
  • Operatörden kaynaklı hatalar ve gecikmeler tespit edilebilir.
  • Arızaların yayılma yönleri hızlı bir şekilde tespit edilerek gerekli önlemlerin alınması mümkün hale gelir. Böylece muhtemel enerji kesintileri veya ekipman hasarları önlenebilir/azaltılabilir.
  • İstatistiksel analizler sonucu çok sayıda merkez için operatör hataları, gecikme nedenleri, arızların yoğunlaştığı noktalar, mevsimler ve birçok ilave bilgiler elde edilebilir. Böylece gerekli bakım, onarım, değiştirme faaliyetleri planlanarak sistem performansı iyileştirilebilir [5].

Arıza olayları koruma sisteminin devreye girmesine kadar geçen çok kısa sürelerde geçici rejimler meydana getirirler. Bu nedenle, olay kaydedicilerde en önemli parametre sistemin örnekleme sayısıdır. Olay esnasında ne kadar çok veri alınırsa olayın gelişim evreleri de o derece sağlıklı izlenebilir. Bu verilerin doğruluk derecesi daha sonra yapılacak teknik ve istatistiksel analizlerin sonuçları üzerinde doğrudan etkilidirler. Şekil 2’de bir periyotluk bir sinüs dalgası için örnekleme zamanının sinyal kalitesi üzerindeki etkisi görülmektedir [6].

Telepro - Koruma Sistemlerinde Olay Kaydediciler Şekil 2. Bir periyotluk sinüs dalgasının çeşitli örnekleme sayılarında algılanma düzeyi

Olay kaydedici sistemlerin geniş ölçekte temel amaçları kısaca aşağıdaki gibi açıklanabilir.

  • Şebekelerde sahada meydana gelen ve güç kalitesi ile doğrudan bağlantılı olayların iyi bir şekilde çözümlenmesine yardımcı olurlar.
  • Potansiyel problemlerin tanımlanması, önlenmesi ve/veya meydana gelmeleri halinde negatif etkilerinin azaltılmasına yardımcı olacak uygun yazılım ve donanım araçları geliştirilmesine yardımcı olurlar.
  • Çok fonksiyonlu akıllı elektronik rölelerin tercih edilme amaçlarıyla örtüşen, dağıtım istasyonları veya endüstriyel ortamlarda koruma, kontrol ve izleme fonksiyonlarını tam olarak yerine getirmelerini sağlayacak optimal kullanım olanakları sağlamaya yardımcı olurlar
  • Çoklu seri veya yerel ağ ara yüzleri üzerinden eşzamanlı erişime izin veren ve standart endüstriyel protokolleri destekleyen iletişim donanımı sağlama görevini üstlenirler.
  • Kurulum ve bakım maliyetlerini azaltmaya katkı sağlarlar.

Şekil 3’de olay kaydedici sistem örneği sunulmuştur. Sahadaki ölçü aletleri ve röleler tarafından algılanan olaylar öncelikle giriş modülünde toplanır.  Bu ünite hem tüm girişlerin tek noktada toplanmasını hem de bu noktadan sonraki iletişimin sadece haberleşme kablolarıyla yapılmasını sağlayarak önemli teknik ve ekonomik avantajlar sağlar. Giriş modülü yazılım kontrollü olarak bazı verileri alarm haber vericilere gönderir. Aynı zamanda bütün olay verilerini uzaktan erişimli birime (RTU) göndererek bu cihaz bünyesinde bulunan hafıza alanına kaydedilmesini sağlar. RTU cihazı arıza bilgilerini aynı anda olayın meydana geldiği merkezdeki operatör bilgisayarına ve istenen diğer çıktı birimlerine iletme işlevini yerine getirir. RTU cihazının bünyesinde çalıştırılan GPS tabanlı IRIG-B kodu ile sinyal üreten zaman saati ve meteoroloji istasyonu birimleri ile yukarıda açıklanan ve bir arıza kaydında olması gereken zaman ve iklim koşulları ile ilgili veriler de arıza ile birlikte kaydedilmiş olur. Bu bilgilerin MODEM üzerinden internet ortamına aktarılarak uzak merkezlerdeki çeşitli birimlere gecikmesiz olarak gönderilmesi ve enerji yönetim birimindeki ana hizmet sağlayıcı sistemdeki veri tabanına kaydedilmesi işlemi kolaylıkla gerçekleştirilebilir. Bu sistemde donanım kadar kullanılan haberleşme protokolü ve yazılımların da önemi vardır. Bu yazılımların istenen amaca uygun niteliklerde analiz yeteneğine ve kullanıcı dostu ara yüzlere sahip olması sistemin performansını önemli ölçüde arttırır. Server sistemine gönderilen verilerin hangi seviyede kimler tarafından görülebileceği de yazılım yetkilendirmesi ile sağlanır.

Telepro - Koruma Sistemlerinde Olay Kaydediciler Şekil 3. Bir Olay Kaydedici Sistem Prensip Şeması

Sonuç

Olay kaydedici sistemler özellikle zaman gecikmesiz ve sıralı olarak bütün olayları kaydederek istatistiksel veri tabanlarının oluşturulmasında diğer seçeneklere göre önemli avantajlar sağlar. Kurulum maliyeti olarak örneğin bir dijital röleye göre RTU, Giriş Modülü, Server gibi ilave ekimanlara ihtiyaç duymaları nedeniyle yüksektir. Ancak enerji sistemlerinde güç kalitesi kavramını doğrudan belirleyen kararlılık ve güvenirlik indislerinin iyileştirilmesine yaptıkları doğrudan ve dolaylı katkılarla çok önemli teknik ve ekonomik faydalar sağlarlar. Uzun süreli, kesintisiz kayıt yeteneği, yazılım yetkilendirmeli erişim esneklikleri, raporlama ve kayıt analizinde sağladığı üstünlükler nedeniyle olay kaydedicilerin yakın gelecekte diğer kayıt sistemlerine göre çok geniş bir kullanım alanına sahip olacağı söylenebilir.

Kaynaklar

  • [1] F. G., Piccano, “The NESC, Probability, Reliability and the Future”, Proceedings of the IEEE Southern Tier Technical Conference, s.46- 52, USA, 1987.
  • [2] R. Billinton, R.N. Allan, Reliability Assesment of Large Electric Power Systems, p146-158, Springer, 1988.
  • [3] Gönen, T., Electric Power Distribution System Engineering, University of Missouriat Columbia, pp. 577-98, July, 1985.
  • [4] W. Strang, J. Pond, Considerations for Use of Disturbance Recorders, A report to the System Protection Subcommittee of the Power System Relaying Committee of the IEEE Power Engineering Society, pp.4-5, USA, 2006.
  • [5] J. Perez, “A Guıde to Dıgıtal Fault Recordıng Event Analysis”, 63rd Annual Conference for Protective Relay Engineers, pp.1 – 17, Canada, 2010.
  • [6] H. Davila, “Records from DFRs vs. Records from Microprocessor-Based Relays”, Transmission and Distribution Conference and Exposition: Latin America (T&D-LA), pp. 635-644, 2010.
  • [7] www.telepro.com.tr