Yüksek gerilim enerji iletim hattındaki arızaların dalgacık paket dönüşümü ve ortak vektör yaklaşımıyla sınıflandırılması
The classification of faults in high voltage energy transmission line by using wavelet packet transform and common vector approach
Yazar: MEHMET YUMURTACI
Danışman: DOÇ. DR. GÖKHAN GÖKMEN ; PROF. DR. OSMAN KILIÇ
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Destek vektör makineleri = Support vector machines ; Kısa devre = Short circuit ; Yapay sinir ağları = Artificial neural networks ; İletim hattı arızaları = Transmission line faults

Özet:
Enerji üretim sistemlerinde üretilen elektrik enerjisinin kaliteli olması ve sürekliliğinin sağlanabilmesi büyük önem arz etmektedir. Kaliteli elektrik enerjisinde aranan en önemli özelliklerden biri gerilimin diğeri ise sıklığın istenilen değer aralığında sabit tutulmasıdır. Üretilen, iletilen ve dağıtılan elektrik enerjisinin sürekliliğinin sağlanabilmesi ham enerji kaynaklarının talep edilen enerjiyi karşılayabilecek seviyede olmasına ve oluşabilecek arızaların en kısa sürede tespitinin yapılarak sorunsuz bir şekilde güç sisteminin çalışmasına devam ettirilebilmesine bağlıdır. Güç sistemlerinde en çok arızaların meydana geldiği kısım enerji iletim hatlarıdır. Gelişen teknoloji yarı iletken malzemelerin kullanımının artmasına ve bu malzemelerin kullanımı da güç kalitesi problemlerinin artmasına sebep olmuştur. Ayrıca tüketicilere kaliteli bir elektrik enerjisi sunabilmek ve arıza oluşumu sırasında en az hasarla, en kısa sürede arızanın tespit edilebilmesini sağlamak için bu alandaki uzman sistemlerin kullanımı da her geçen gün artmaktadır.   
Yapılan tez çalışmasında, elektrik enerji sistemlerinde oluşabilecek arıza türlerini en kısa sürede ve yüksek bir doğruluk oranıyla belirleyebilmek için örnek bir enerji iletim sistemi modeli ele alınmıştır. Enerji iletim sisteminin benzetim modeli, Türkiye elektrik iletim sisteminin Simav–Demirci arasındaki 28 km, 154 kV'luk iletim hattının gerçek parametreleri kullanılarak Matlab/SIMULINK'te gerçekleştirilmiştir. Oluşturulan modelin güç kaynağı tarafından üç faz akım ve gerilim bilgisi alınarak normalize edilmiştir. Dalgacık Paket Dönüşümü (DPD) uygulanmış gerilim sinyalinin bileşenleri ile akım sinyali skaler olarak çarpılarak ani aktif gücün bileşenleri bulunmuştur. Bu bileşenlerin enerji değerleri hesaplanarak bir özellik vektörü üretilmiştir. Üretilen özellik vektörü giriş bilgisi olarak Ortak Vektör Yaklaşım (OVY) yöntemine uygulanmıştır. OVY, yüksek gerilim enerji iletim hatlarında meydana gelen faz-toprak, iki-faz, iki-faz-toprak ve üç faz-toprak kısa devre arızalarının sınıflandırılması gibi farklı bir alanda ilk defa bu çalışmada kullanılmıştır. OVY'nin sınıflandırma başarımını ve hızını kıyaslamak için aynı özellik vektörü Destek Vektör Makineleri (DVM) ve Yapay Sinir Ağları (YSA) sınıflandırıcılarına da uygulanmıştır. Örnek olarak alınan güç iletim sisteminin benzetiminde değişik çalışma koşulları ele alınarak farklı kısa devre durumları oluşturulmuştur. Elde edilen benzetim çalışmaları sonucunda, OVY metoduyla değişken arıza mesafesi, arıza başlangıç açısı, arıza başlama zamanı, arıza bitiş zamanı ve kaynak sıklığına ait değerler kullanılarak arızaların gerçek sistemde oluşabilme senaryoları üretilmiştir. Ayrıca güç dağıtım sistemine ait zamana bağlı olarak değişen akım ve gerilim verilerine farklı seviyelerde gürültü eklenerek gürültünün sınıflandırma başarımı üzerindeki etkisi de incelenmiştir. 
Bu çalışmada, yüksek gerilim enerji iletim hattında meydana gelen kısa devre arızalarının sınıflandırılmasının dışında güç kalitesi problemlerinin sınıflandırılması da gerçekleştirilmiştir. İletim hattının bir fazında, iki fazında veya üç fazında meydana gelen gerilim çökmesi, yükselmesi, kesilmesi, harmonikli gerilim yükselmesi ve harmonikli gerilim çökmesi gibi 35 farklı sınıf ile nominal işletme durumu ve gerilim kaynağının harmonikli olduğu durumda olmak üzere 37 farklı sınıftan meydana gelen güç kalitesi problemleri ele alınmıştır.  OVY yöntemi kullanılarak güç kalitesi probleminin sınıfıyla birlikte arızalı faz/fazların tespiti sağlanmaktadır. Kullanılan sınıflandırıcıyla güç kalitesi problemleri % 99.527' lik ortalama başarım oranıyla tespit edilmiştir.
Yüksek gerilim enerji iletim hattı üzerinde meydana gelen kısa devre arızalarının analizinin detaylı olarak yapılabilmesi, güç kalitesi problemlerinin kolayca incelenebilmesi ve sınıflandırılması amacıyla Matlab/GUI programı kullanılarak iki farklı arayüz oluşturulmuştur. Arayüzde arıza mesafesinin tahmini aynı özellik vektörü kullanılarak YSA ile gerçekleştirilmiştir.  
Bu tez çalışmasının birinci bölümünde çalışmanın amacı ve literatürdeki yapılan çalışmalardan bahsedilmiştir. İkinci bölümde iletim hattında meydana gelen kısa devreler ve güç kalitesi problemleri tanımlanmıştır. Özellik vektörünün çıkarımı ve arıza türlerinin sınıflandırılmasında kullanılan OVY, DVM ve YSA yöntemleri anlatılmıştır. Üçüncü bölümde kısa devre arızalarına ait bulgular üç farklı sınıflandırıcı için ayrıntılı olarak verilmiştir. OVY yöntemiyle güç kalitesi problemlerinin tespiti işlemine ait sonuçlarda bu bölümde anlatılmıştır. Kısa devre arızaları ve güç kalitesi problemlerinin sınıflandırılması için Matlab/GUI'de oluşturulan iki farklı arayüz verilmiştir. Dördüncü bölümde tez çalışmasından elde edilen sonuçlar anlatılmıştır. Ekler kısmında tezde kullanılan yöntemlerle ilgili kodlar detaylı olarak verilmektedir.

Abstract:
Ensuring the continuity and quality of the electric energy generated at power generation plants is very important. One of the most important specifications required for high quality electric energy is to keep the voltage and frequency at a desired range. Ensuring the continuity of generated, transmitted and distributed electric energy depends on the raw energy sources to be in a level capable of meeting the demanded energy and functioning of the power system properly with determination of all the prospect faults in the shortest time. Faults mostly occur in energy transmission lines of the power systems. With developing technology, occurrence of power quality problems has increased in parallel to increase in using of semi-conductive materials. Besides, using of expert systems in this area increases in every passing day in order to be able to present high quality electric energy to consumers and ensure determination of any fault in the shortest possible time with minimum damage. 
In the thesis study, a sample energy transmission system model was used to determine the prospect faults in energy transmission systems in the shortest possible time and with high accuracy rate. The simulation model of the energy transmission system was realized in Matlab/SIMULINK by using the actual parameters of 154 KV and 28 km transmission line between Simav-Demirci of Turkey's electric transmission system. The three phase current and voltage information was obtained from the power source part of the established model and it was normalized. The components of the voltage signal (to which the Wavelet Packet Transform (WPT) was applied) were multiplied by the current signal in scalar form to find the components of the instantaneous active power. By calculating the energy values of these components, a feature vector was produced. The produced feature vector was applied to the Common Vector Approach (CVA) method as an input data. The CVA was used for the first time in this study in a different area such as classification of phase-earth, two-phase, two-phase-earth and three-phase-earth short circuit faults that occur in high voltage energy transmission lines. For comparison of classification success and speed of the CVA, the same feature vector was also applied to the Support Vector Machines (SVM) and Artificial Neural Networks (ANN) classifiers. In simulation of the modeled power transmission system, different short circuit situations were established by considering various running conditions. At the end of the simulation studies, by using the values that belong to variable fault distance, fault start angle, fault startup time, fault end time and source frequency by means of the CVA method, scenarios on occurrence of faults in the actual system were produced. Besides, by adding noise in different levels to the current and voltage data that belong to the power distribution system and vary depending on time, the effect of noise on classification success was examined. 
In this study, besides to classification of the short circuit faults occur in the high voltage energy transmission line, also the classification of power quality problems was realized. 35 different classes such as voltage sag, swell and interruption, harmonic voltage raise and harmonic voltage fall in one phase, two phases and three phases of the transmission line and the power quality problems that consist of 37 different situations with nominal operating situation and operating through harmonic voltage source were examined. With the CVA method, determination of the class of power quality problems and the defective phase/phases was ensured. The power quality problems were determined with average success rate of 99.527% by means of the used classifier. 
By using the Matlab/GUI program to analyze in detail the short circuit faults and easily examine and classify the power quality problems on the high voltage energy transmission lines, two different interfaces were established. Prediction of the fault distance in the interface was realized with ANN by using the same feature vector. 
In the first section of this thesis study, the purpose of study and studies contained in the literature are stated. In the second section, short circuits that occur on the transmission line and power quality problems are defined. The ANN, CVA and SVM methods used in classification of fault types and reasoning of the feature vector are explained. In the third section, findings related to short circuit faults are given for three different classifiers in detail. Results related to determination of power quality problems with the CVA method are given in this section. Two different interfaces established in Matlab/GUI for classification of short circuit faults and power quality problems are given. In the fourth section, results obtained from the thesis study are talked about. In the appendices section, codes related to methods used in the thesis study are given in detail.