DESTEK AKADEMİK MAKALELER MODERN ENERJİ YÖNETİM ORGANİZASYONLARINDA KORUMA SİSTEMLERİ

MODERN ENERJİ YÖNETİM ORGANİZASYONLARINDA KORUMA SİSTEMLERİ

MODERN ENERJİ YÖNETİM ORGANİZASYONLARINDA KORUMA SİSTEMLERİ

Özet

Bu çalışmada modern enerji yönetim organizasyonlarında koruma modellerinin önemi ve yapısal özellikleri üzerinde durulmuştur. Koruma sistemlerinin tarihsel gelişimi ve günümüzde üretim/tüketim çeşitliliğinin getirdiği farklı yönetim yapılarında giderek daha önem kazanan güvenilir ve seçici geniş alan koruma kavramı incelenmiştir. Kaliteli ve kesintisiz enerji arzı amacına katkı sağlayabilecek koruma modellerinin içermesi gereken ekipmanlar tanıtılarak, üstlenebilecekleri işlevler hakkında öneriler sunulmuştur.

1. Giriş

Güç sistemlerinde koruma elektrik enerjisinin üretim, iletim ve dağıtım aşamalarını içine alan ve enerjinin arızalardan veya güç sisteminin herhangi bir bölümünü tehlikeye atan olaylardan olabildiğince emniyetli şekilde kullanılmasını amaçlayan yapılardır. Güç sistemlerini %100 güvenli veya %100 güvenilir yapmak çok yüksek maliyetler oluşturur. Bu nedenle arıza oranını ve arızalardan etkilenme olasılığını kabul edilebilir seviyelerde tutmak için risk analizleri yapılması bir zorunluluktur.

EPDK tarafından enerji kalitesi ile ilgili yayınlanan iki temel yönetmelikte de hizmet kalitesi, tedarik sürekliliği, teknik ve ticari olmak üzere üç temel bileşen olarak görülmektedir [1]. Bu bilgiler ışığında arıza ve kesintilerin en aza indirilmesi ve bakım-onarım faaliyetlerinin etkisinin ve veriminin arttırılması çok önemli tekno-ekonomik faydaları olan konu başlıklarıdır.

Bu nedenle, enerji sistemlerinde arızaların ve devre dışı kalmaların hızlı bir şekilde algılanması kadar, doğru bir şekilde raporlanması ve elde edilen verilerin çeşitli istatistiksel analizlere tabi tutularak sistem üzerinde gerekli iyileştirme, bakım-onarım, değiştirme gibi çalışmalarda kaynak bilgi olarak kullanılması büyük önem taşımaktadır. Amerikan Elektrik Elektronik Mühendisleri Odası’nın raporlarına göre bir teçhizatın devre dışı kalma raporu; 1)teçhizata ait tip, seri no, imalatçı firma ve sınıflandırma için gerekli diğer bilgiler, 2) kurulum tarihi, sistemin yeri, hat olması halinde uzunluğu, 3)arıza çeşidi (kısa devre, yanlış işletme v.b.), 4)arıza sebebi (yıldırım, buz yükü, dış darbe, eskime v.b.), 5) arızanın olduğu zaman (yalnız devre dışı kalma süresinden ziyade servis dışına çıkma ve tekrar servise alınma saati),tarih ve meteorolojik koşullar ve 6)devre dışına çıkma tipi (zorlamalı veya planlı, geçici veya sürekli) gibi bilgileri içermelidir. Bu parametreler dışında arızanın kesintiye sebep olması halinde enerjisiz kalan abone sayısının da bilgilere ilave edilmesi faydalı olmaktadır [2]. Bu nedenle arızanın koruma sistemi tarafından algılanması ve gerekli işlemin yapılması kadar, bu arıza ile ilgili ayrıntılı raporların tutulması da büyük önem taşımaktadır.

Bu çalışma, koruma sistemlerinde güvenirlik katsayısını iyileştirmek için alınabilecek tedbirleri kısaca özetlemektedir. Özellikle veri iletişimi ve sinyal işleme teknolojilerinin etkin kullanılmasının önemi üzerinde durmaktadır. Bu çalışmada, modern teknolojinin sağladığı yeniliklerle birlikte koruma sistemlerinin güvenirliğini artırmak için kullanılan ekipmanlar üzerinde durulmuş ve son yıllarda giderek yaygınlaşan geniş alan koruma sistemlerinin içerdiği koruma sistemi haberleşme altyapısı ile ilgili örnekleme yapılmıştır.

2. Koruma Sistemleri

Elektrik güç sitemlerinin generatör, transformatör, hat ve yük gibi bileşenlerinin herhangi birinde kısa devre veya izolasyon delinmesi sonucunda oluşan arıza akımları, ark ve/veya aşırı gerilimlerin yol açabileceği zararları azaltmak ve sürekli bir kısa devrenin şebekenin genel işletmesi ve özellikle kararlılığı üzerindeki etkilerini ortadan kaldırmak için hatalı elemanın ve şebeke parçasının olabildiğince hızlı bir şekilde işletme dışına alınması gerekir. Bu işlemi gerçekleştiren ekipmanların tamamı koruma sistemi olarak adlandırılır [3].

Koruma röleleri elektriksel arızalardan oluşan yaralanmaları sınırlamak ve ekipmanları korumak amacıyla tasarlanmış elektronik veya elektromekanik cihazlardır.  Bu röleler koruma sisteminin sadece bir parçasıdır. Koruma sistemi güç sistemlerindeki bütün ekipmanları içine alan geniş bir yapıdır. Güç şebekesinin normal çalışma şartları altında da akım/gerilim bilgilerini ölçmelidir. Rölelerin etkinliğini arttırmada 1-) ölçümler, 2-) sinyal işleme ve 3-) kontrol mekanizmaları çok önemli rol oynar. Temel amaç; arızanın sonucu oluşacak hasarı minimize etmektir. Bu amacın gerçekleştirilmesiyle en genel anlamda teçhizat/ekipman değişim ihtiyaçları azaltılmış, onarım süreci kısaltılarak yeniden devreye alma işlemi hızlandırılmış olur. Böylece daha yüksek maliyetli üretim yapan puant güç santrallerinin devrede kalma süreleri azaltılır. Ayrıca sistem kararlılığının devamlılığına çok önemli bir katkı sağlanır [4].

Koruma sistemlerinin etkinliğini arttırmanın diğer bir yolu da güç sisteminin belirli bölgelere ayrılmasıdır. Böylece her bölüm kendi içinde birden fazla koruma alternatifi içererek tam güvenlik sağlanabilir.

Günümüzde güç sistemleri üretim, iletim, dağıtım ve tüketim birimlerinin bir arada aynı anda çalıştığı çok karmaşık yapılardır. Üretim sistemleri kullandıkları hammaddeler, çevrim yöntemleri açısından çeşitlilik arz etmektedir. Ayrıca bu üretim merkezlerinin işletmeleri de devlet, özel sektör veya çok ortaklı yapılar olabilmektedir. Tüketim noktasındaki çeşitlilik ve yönetim yapıları ise çok daha fazladır. Bütün sistem enterkonnekte bir yapı ile birlikte işletilmek zorundadır.

2.1. Koruma sistemlerinin tarihçesi

1900’lü yılların başından itibaren ihtiyaç duyulan koruma sistemlerinde kullanılan ilk röleler tamamen elektromekanik teknolojisini kullanmaktadır. Literatürde ilk röle aşırı akım prensibine dayalı olarak 1902 yılında sunulmuştur. Elektromekanik röleler sadece arızayı tespit etmenin ötesinde kesicileri açmak için gerekli gücü de üretmektedirler. Aşırı akım prensibini takiben diferansiyel (1905), yön bulma (1909) ve mesafe ölçümü (1923) prensiplerine göre çalışan elektromekanik röleler geliştirilmiştir. 1940’lı yıllara kadar üretilen tüm röleler elektromekanik teknolojisini kullanmışlardır. Özellikle mesafe röleleri günümüzde de birçok koruma sisteminde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Elektronik devre elemanlarının yaygınlaşması 1940 sonrası statik rölelerin geliştirilmesini sağlamıştır. 1960 yılında itibaren ise gerilim ve akım sinyallerindeörnekleme ve kaydetme imkânı sunan bilgisayarlar dijital koruma sistemlerinin kurulmasına imkân vermiştir. 1980’lerin başında bilgisayarların yerini mikroişlemciler almaya başlasa da sayısal hesaplama teknolojisi kullanılmaya devam etmektedir. Günümüzde özellikle çok yüksek gerilimli enerji hatları dijital mesafe röleleri ile etkin bir şekilde korunabilmekte ve elektromekanik röle kullanımının yerini almaktadır. Şekil 1’de koruma röle prensipleri ve teknoloji gruplarının tarihsel değişimi görülmektedir [5].

Telepro - Modern Enerji Yönetim Organizasyonlarında Koruma Sistemleri Şekil 1 - Koruma röle teknolojilerinin kronolojisi

3. Modern Enerji Yönetim Sistemleri

Yukarıda kısa tarihi verilen röle modelleri, günümüzde ulaşılan yapay zekâ, dalgacık dönüşümü ve GPS teknolojisinin sağladığı zaman senkronizasyonu ile çok geniş alanlarda etkin koruma tekniklerinin geliştirilmesi ile yeni bir boyut kazanmışlardır. Üretim, iletim ve dağıtım sistemlerinin gerek teknik, gerekse yönetim modelleri açısından çok daha çeşitli hale gelmesine rağmen koruma sistemlerinin güvenirliği giderek artmaktadır. Dijital teknoloji bir çok yeni tekniğin bu alanda kullanılmasını sağlamaktadır. Yön karşılaştırma, yürüyen dalga algoritmaları ve diğer geçici rejim analizine dayanan teknikler çok yüksek hızlı koruma sistemlerinin geliştirilmesine olanak vermektedir.

Modern enerji sistemleri teknik, ekonomik, yasal ve sosyal faktörleri de için alan bir çok bileşene sahiptir. Bu bileşenler kendi aralarında etkileşim içerisindedirler. Şekil 2’de modern bir enerji yönetim sisteminin bileşenleri görülmektedir [6]. Burada alt sistemlerden biri başlı başına acil durum izleme, analiz ve raporlama işlemlerinin yürütüldüğü koruma sistemidir. Bu özelliği ile günümüz koruma sistemleri sadece röle koordinasyonunun ötesinde sinyal işleme, veri depolama ve analiz işlemlerinin yürütüldüğü karmaşık yapılı sistemler haline gelmektedirler. Aşağıda koruma sistemlerindeki son gelişmelerle ortaya çıkan yapılar kısaca açıklanmıştır.

Telepro - Modern Enerji Yönetim Organizasyonlarında Koruma Sistemleri Şekil 2 - Modern enerji yönetim sistemi blok şeması

3.1. Adaptif Koruma

Adaptif koruma sistemleri çok sayıda rölenin güç sisteminde oluşabilecek her türlü duruma adapte olacak şekilde kurulumuna dayana yapılardır. Örneğin, zaman gecikmeli aşırı akım rölelerinin arıza akımının büyüklüğüne göre çalışma zamanını ayarlaması veya mesafe rölelerinin akım yönüne bağlı olarak farklı işlemler yapması gibi. Günümüzdeki enterkonnekte şebekelerin karmaşık yapıları nedeniyle oluşabilecek bazı durumları önceden kestirmek oldukça zordur. Bütün senaryoları öngörmek bazen optimal olmayan herhangi bir özel sistem durumu için de koruma sistemini çalışmak zorunda bırakabilir. Bir rölenin belirlenen bir durum için çalışması isteniyorsa kendi ayarlarını değişen sistem şartlarına adapte edebilmelidir. Bu nedenle koruma sisteminin her aşamasında yapılacak bir geliştirme ekonomi-performans, güvenilirlik-güvenlik, karmaşıklık-basitlik, hız-duyarlılık (seçicilik) kavramları arasında bir denge unsuru içermelidir [7].

3.2. Yapay Zeka Tabanlı Koruma Sistemleri

Özellikle yapay sinir ağları (YSA) koruma sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. En önemli avantajları sistem davranışının tamamının bilinmesine gerek duyulmada çok karmaşık ve özel durumlara uygulanabilmeleridir. Ancak YSA’nın eğitimi ve test süreci fazla zaman alır ve ağın doğru çalışması test edilen veri büyüklüğüne ve test verilerinin yeterliliğine doğrudan bağımlıdır. Koruma sistemlerinde YSA uygulamaları genellikle mesafe koruma amaçlı kullanılmaktadır.

3.3. Dalgacık Dönüşümü Metotları

Son yıllarda klasik Fourier Dönüşüm tekniklerinden farklı yapıda, sinyallerin farklı ölçeklerde tanımlandığı ve analiz edildiği dalgacık teknikleri geliştirilmiştir. Dalgacık dönüşümü şebeke arıza ve yerinin tespiti, arızalı verilerin mukayesesi ve depolanması, bozucu etki çeşidinin tanımlanması ve sınıflandırılması, güç sistemindeki ana ekipmanların korunması ve bozucu etki altındaki şebeke ve sistemin analizi gibi bir çok alanda kullanılabilir.

3.4. Geniş Alan Koruması

Koruma sistemleri ilk aşamalarda sadece üç sistemindeki ekipmanları korumak amacıyla geliştirilmiştir. Ancak mikroişlemci kontrollü röleler hem koruma hem de ölçüm fonksiyonlarını aynı anda sağlamaktadırlar. Ayrıca bu röleler kendi aralarında haberleşebilmekte ve çok detaylı bilgileri koruma ve kontrol amaçlı olarak sistem yöneticilerine sağlamaktadırlar. Bu özellikleri taşıyan röleler “akıllı elektronik cihazlar” olarak adlandırılmaktadır. Yüksek hızlı iletişim hatları rölelerin kendi aralarında veya kontrol merkezi aracılığıyla kendi ayarlarını çok hızlı bir şekilde güncelleme olanakları sağlamaktadır. Bu teknolojik gelişmeler ve GPS’in sağladığı zaman senkronizasyonu yedek koruma algoritmalarında çok geniş kullanım olanağı bulmaktadır. Böylece çok geniş bir şebeke parçası için mevcut ve olması muhtemel arızalar önceden tespit edilebilmektedir. Arızanın başlangıç noktası ve yönü tespit edilerek yayılması engellenebilmektedir. Geniş alan koruma sistemlerinde röleler haricinde çok önemli görevler üstlenen yardımcı teçhizatlar kullanılmaktadır. Aşağıda, bu cihazlardan en önemlileri kısaca tanıtılmıştır

3.4.1. Anonsiyatörler

Rölelerden gelen arıza bilgisini çeşitli şekillerde duyurma işlevini yerine getirirler. Elektrik şebekelerinin yanı sıra başka alanlarda da kullanılan fonksiyonel cihazlardır. En basit modelleri arıza durumunda, görsel olarak ve ses uyarıcısı ile birlikte sistem operatörüne arıza bilgisini ulaştırırlar. Günümüzde bu cihazlar bir mikroişlemci ünitesi ve yazılımlar yardımıyla arıza bilgisini istenen detayda RTU cihazlarına, operatör bilgisayarlarına, olay kaydedicilere ve veri toplama merkezlerine iletme işlevlerini de üstlenmektedirler. Ayrıca üzerinde kendilerine ait bir bellek bulunduran tipleri de mevcuttur. Bu bellek sayesinde anonsiyatör aynı zamanda bir olay kaydedici özelliği kazanmakta, küçük boyutlu sistemler için ilave maliyetleri ortadan kaldırmaktadır. Anonsiyatör cihazları ihtiyaca göre farklı sinyal girişi sayılarına sahip olacak şekilde üretilebilirler. Günümüzde 4, 8, 12, 16, 24, 32 ve 48 girişli anonsiyatör cihazları piyasada ticari olarak yer almaktadır. Üretici firma, ilave özellikler ve özellikle üretimlerindeki kalite unsurlarına bağlı olarak çok geniş bir fiyat aralığında cihazlar bulunmaktadır. Şekil 3’de 16 girişe sahip bir alarma anonsiyatörü görülmektedir.

3.4.2. RTU Cihazları

Uzaktan Erişim Ünitesi (RTU) cihazları günümüz dağıtım merkezi otomasyon sistemlerinin çok önemli elemanlarından biri haline gelmiştir. Bu birim anonsiyatörlerden gelen bilgilerin toplanması ve çeşitli formatlarda saklanması işlevini yerine getiren bir ön bellek görevini üstlenmektedir. Gelen verinin niteliğine göre yazılım yetkilendirmesi ile çeşitli birimlere iletimini de üstlenir. RTU’lar mikroişlemci kontrollü cihazlardır. Özellikle son yıllarda GPS teknolojisini kullanarak zaman senkronizasyonlu veri kaydı yapabilen modeller çok uzak mesafeli transformatör merkezlerinin tek merkezden izlenmesi ve kontrolüne imkân sağlamaktadır. Bu özellik geniş alan koruması uygulamalarında önemli bir iletişim esnekliği ve maliyet tasarrufu sağlar. Özellikle son yıllarda SCADA sistemine veri sağlamada kullanılan iletişim standartlarının IEC61850 olarak tek tipe indirgenmesi bütün dünyada ve ülkemizde üzerinde durulan bir konudur. Bu işlem sahadaki bütün röle ve ölçüm cihazlarının bu protokolü desteklemesi ihtiyacı doğurduğundan oldukça maliyetli bir yatırımdır. Ancak RTU ünitelerinin uygun özelliklerde tasarımıyla bu zorunluluğun ortadan aldırılarak önemli bir tasarruf yapılması mümkündür. Örnek bir RTU modeli Şekil 4'de verilmiştir [8].

3.4.3. Olay Kaydediciler

Bu ünite güç sistemi kontrol merkezinde konumlandırılmış ve gelen tüm verileri zaman bilgisi ile kaydeden cihazlardır. Cihaz içindeki verilere yazılım yetkilendirmesi ile çeşitli seviyelerde ulaşılabilir. Bilgilerin analizi sonucunda güç sisteminin davranışı hakkında çok detaylı bilgilere ulaşılabilir. Olay kaydediciler günümüzde bazı rölelerin içinde bir birim olarak da yer almaktadır. Sistem yapısına bağlı olarak çeşitli fiziksel ve teknik özelliklere sahip olabilirler.

3.4.4. Diğer Ekipmanlar

Yukarıda sıralanan ekipmanlara ilave olarak koruma sisteminin görev yaptığı şebeke bölümünün yapısı, boyutları ve konumlarına bağlı olarak haberleşme hatları, modemler, hizmet sağlayıcı (server) sistemleri ve yazılımları da kullanılabilir. Özellikle sistemin işletme emniyetini arttıracak, arıza takibini kolaylaştıran tek merkezde toplanmış koruma panoları, operatör bilgisayarlarına ilaveten pano üzerinden kontrol sağlayan panel PC’ler v.b. bir çok ekipman günümüz koruma sistemlerinin bileşenleri arasına girmiştir.

4. Örnek Model

Önceki bölümde ayrıntıları verilen ekipmanlarla koruma sistemlerinin oldukça geniş şebeke bölümleri için seçici ve güvenilir bir koordinasyonu sağlanabilir. Bu sistemdeki ana unsur, sahadaki ölçüm cihazlarından gelen bilgilerin en doğru ve hızlı şekilde operatöre ve enerji yönetim merkezine iletilmesidir. Şekil 5’de çok sayıda dağıtım merkezinin aynı anda haberleşebildiği bir yapı örneği verilmiştir.

Telepro - Modern Enerji Yönetim Organizasyonlarında Koruma Sistemleri Şekil 5 - Koruma sistemlerinde dağıtım merkezi ekipmanları ve iletişim sistemi

Bu model, kullanılan yazılım ara yüzleri ile oldukça esnek ve kullanıcı dostu bir çalışma imkanı oluşturabilir. Dağıtım merkezlerindeki Panel PC’ler arıza takibini ve sürecini takip etmede kolaylık sağlar. Bütün erişim noktaları GPS senkronizasyonlu olarak veri akışı sağladığından bir olay bilgisi sisteme bağlı bütün uzaktan erişim noktaları tarafından gecikmesiz olarak görülebilir. Sağlanan veriler yazılım yetkilendirmesi ile her düzeyde kullanıcıya çok çeşitli kanallarla aktarılabilir. Bu verilerin istatistiksel analizi sonucunda arıza sayıları, arızların yoğunlaştığı noktalar, yayılma nedenleri, onarım ve yeniden devreye alma sürecinde operatör performansları ve daha pek çok önemli bilgi elde edilebilmektedir. Böylece tüm sistem üzerinde bir kontrol bütünlüğü sağlanarak arızaların meydana gelmeden önlenmesi mümkün hale gelmektedir. Muhtemel enerji kesintilerinin önüne geçebilen bu sistemlerle ülke ekonomisine çok önemli katkılar sağlanabilir.

5. Sonuç

Modern enerji yönetim sistemlerinin en önemli amacı tüketicilere kesintisiz ve kaliteli elektrik enerjisi sağlamaktır. Koruma sistemleri bu makalede değinilen ekipman ve yaklaşımlarla bu amacın gerçekleşmesine çok önemli katkılar sağlayacak verilerin alınabildiği yapılara dönüştürülebilir. Klasik arıza raporlama işlemleri matbu formların elle veya bilgisayarla operatörler tarafından doldurulması şeklinde yapılmaktadır. Bu yöntem, hatalara açık olması, uzun ve maliyetli bir uygulama içermesi, çoğu zaman raporlama işlemlerinde aksamaların yaşanması, bilgi eksiklikleri, tutulan raporların hızlı bir şekilde analiz edilememesi v.b. gibi önemli dezavantajlar içermektedir. Çalışmada sunulan örnek model, tüm bu olumsuzlukları elimine ederek, arıza kayıtlarının eş zamanlı olarak operatör bilgisayarlarından bağımsız ve güvenli ortamlarda saklanması, istatistiksel analizlerin yapılmasını ve yazılım yetkilendirmesi ile tüketiciler dâhil her düzeydeki kullanıcılarla paylaşılmasını sağlayabilir. Böylelikle, arıza ve diğer planlı bakım onarım faaliyetleri nedeniyle meydana gelen devre dışı kalmaların sayısı ve süresi azaltılarak çok önemli teknik ve ekonomik faydalar sağlanabilir.

Kaynaklar

  • [2] Gönen, T., Electric Power Distribution System Engineering, University of Missouriat Columbia, pp. 577-98, July, 1985.
  • [3] Odabaşı, T., “Koruma Sistemlerinin Genel Prensipleri ,Şebeke ve Transformatör Koruması”, Elektrik Tesisat Mühendisleri Derneği Teknik Yazılar, http://www.etmd.org.tr/teknik_yazilar.php, Türkiye, 2006.
  • [4] Rushton, J., Protection of Generators, Transformers, Generator-Transformer Units and Transformer Feeders, Book: Power System Protection, Edited by The Electricity Training Association, Short Run Press Ltd., London, UK, 1995.
  • [5] Pathirana, V., A Power System Protection Scheme Combining Impedance Measurement and Travelling Waves: Software and Hardware Implementation, Ph.D. Thesis, The Department of Electrical and Computer Engineering, University of Manitoba, Canada, April, 2004.
  • [6] Meliopoulos, S., “Basics of Power System Control and Protection”, NSF/ECEDHA Education Workshop, Georgia, July, 2011.
  • [7] Phadkeand, A.G., Horowitz, S.H., “Adaptive Relaying”, IEEE Computer Applications in Power Magazine, Vol.3, No.3, pp.47-51, 1990.
  • [8] www.telepro.com.tr