Akıllı şebekelerde adaptif koruma
Adaptive protection in smart grids
Yazar: SERHAT ÜNAL ÖZEL
Danışman: PROF. DR. BELGİN TÜRKAY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektrik dağıtım şirketlerinin elektrik enerjisini ekonomik, kaliteli ve kesintisiz olarak tüketicilere ulaştırmaları gerekmektedir. Elektrik dağıtım şebekeleri ne kadar iyi tasarlanırlarsa tasarlansın zaman zaman çeşitli problemler ve arızalar meydana gelebilmektedir. Meydana gelen bu arızaların işletme elemanlarına zarar vermelerini önlemek, elektrik enerjisinin kesintisiz iletilmesini sağlamak ve insan hayatına yönelik tehlikeleri azaltmak amacıyla koruma sistemleri kullanılmaktadır.
Günümüzde yenilenebilir enerji kaynaklarının dağıtım sistemlerine entegrasyonu her geçen gün artmaktadır. Bu kaynaklar sisteme orta ve alçak gerilim seviyelerinde bağlanmaktadırlar. Bununla birlikte tek yönlü yük akışına yönelik tasarlanan klasik koruma sistemleri yetersiz kalmakta sisteme bağlanan yenilebilir enerji kaynakları koruma sisteminde problemlere yol açmaktadır. Ortaya çıkan problemlerin çözülmesi yenilenebilir enerji kaynaklarının yaygınlaşması bakımında son derece önemlidir.
Son yıllarda gelişen teknolojiler ile birlikte koruma röleleride gelişmiş, çeşitli protokoller sayesinde haberleşebilen röleler ortaya çıkmıştır. Bu durum koruma rölelerinin daha akıllı olmasını sağlamıştır. Bu röleler sahip oldukları haberleşme özellikleri sayesinde klasik koruma rölelerinin yetersiz kalıp hatalı açma sinyali ürettiği durumlar için kullanılır hale gelmiştir. Sahip oldukları haberleşme imkanı sayesinde sistemin o anki beslenme durumuna göre ayarlarını değiştirebilen bu röleler dağıtım sistemlerinde adaptif ve dinamik koruma imkanı ortaya çıkarmıştır.
Birden fazla beslenme durumuna sahip olan dağıtım şebekelerinde arıza anında değişken akım seviyeleri sebebi ile hatalı açma yapan klasik koruma röleleri yerine yeni koruma röleri çözüm sağlayabilmektedir. Adaptif koruma sistemlerinde kullanılan röle özelliğine bağlı olarak koruma ayar grupları oluşturulabildiği gibi direk olarak kontrolör vasıtası ile röle parametrelerine erişimde mümkündür. Sistem beslenme durumuna göre ayar değiştirebilen yeni nesil koruma röleleri dağıtım sistemlerinde güvenilirliği arttırmaktadırlar.
Adaptif koruma sistemlerinde önceden sistem durumları incelenerek röle ayar grupları oluşturabildiği gibi aktif olarak sistemi izleyip sistem yapısı değiştiğinde röle ayarları değiştirebilir. Bu durumda sistemi sürekli izleyen ve rölelere ayarlarını gönderen bir kontrol sistemi gereklidir. Ayrıca sistem durumunu bir merkezden izleyip gerektiğinde müdahale edebilmek için bir SCADA sistemide tasarlanabilir.
Bu tez çalışmasında örnek bir test sistemi için adaptif koruma algoritması geliştirilmiş, geliştirilen algoritma Rslogix 5000 programında kodlanarak röle ayarları hesaplanmış, hesaplanan röle ayarları DiqSILENT programında sistemin farklı beslenme durumları için rölelere uygulanarak kısa devre testleri yapılmıştır. Testler sonucunda röle ayarlarının adaptif olarak değiştirilmesinin hatalı açmaları engelleyerek koruma sisteminin yenilenebilir enerji kaynakları uyumlu bir şekilde çalıştığı ortaya konulmuştur.
xx
Hazırlanan SCADA uygulaması sayesinde değişen röle ayarlarının bir merkezden görülmesi sağlanmış, oluşturulan senaryolar sonucunda yeni röle ayarları ve açma süreleri görsel hale getirilmiştir. Ayrıca SCADA sistemi sayesinde istenildiğinde röle ayarlarına manuel olarak müdahale mümkün hale getirilmiştir.
Tez çalışmasında yük akışı, kısa devre analizleri ve röle parametrelendirmelerinde kullanılan DiqSILENT programı için bu kapsamda kullanılmak üzere "XDD3Z-3UM4R-CCAFZ-7VMAL-57KXX" kodlu ücretsiz bir yıllık tez lisansı temin edilmiştir.

Abstract:
Electricity distribution companies are required to deliver electricity to consumers economically, quality and uninterruptedly. Several problems and faults can occur from time to time, no matter how well designed electricity distribution networks are designed. Protection systems are used in order to prevent the operating malfunctions, ensure the uninterrupted transmission of electrical energy and limit the hazards of human life.
In order to transfer the produced energy to the end users in a continuous and high quality way, it is necessary to protect the system elements against the malfunctions that may occur in the process until the generation of energy in the electricity generation plant and to the end users. For this purpose, a lot of protection elements are used for the production and distribution of energy, in other words, for the purpose of delivering health to end users. The most important task of these equipment belongs to protection relays.
The purpose of the protection relays used in electrical energy systems is to detect the fault and produce the necessary fault signal. Thus, the defective part will be removed from the system and the power failure will be prevented in the non-defective parts. In order to prevent the fault to be detected in a short period of time and to ensure that the fault-free parts are not de-energized, the protection relays used in the system must be coordinated properly. Proper relay coordination improves reliability, which is one of the main objectives of protection, and reduces losses due to failure. Changes in the system structure, the addition of generators and power flow changes etc. The protection relays can cause faulty operation.
Protection systems must be worked extremely fast, reliability and selectivity in order to fulfill their duty of protection. In order for the protection function to fulfill these features, the relays used in the protection system must be correctly adjusted. However, in some cases the relays may not work properly, although the relay settings are properly set. This problem can occur due to the changing system structure or hardware failure of the relay.
Today, the integration of renewable energy sources into distribution systems is increasing day by day. These sources are connected to the system at medium and low voltage levels. However, classical protection systems designed for unidirectional power flow are insufficient and renewable energy sources connected to the system cause problems in the protection system. Solving emerging problems is extremely important for the expansion of renewable energy sources.
The integration of renewable energy sources into the network increases the losses in transmission and distribution systems and increases the voltage stability. However, it causes negative effects such as making the protection system more complex and increasing the cost of protection system.
xxii
The main disadvantages of renewable energy sources in the network are the overcurrent relays producing faulty trip signals. The protection systems designed for one-way power flow can produce faulty trip signal in the normal operating condition due to the power flow being changed in pairs together with the integration of these sources into the network.
If there is a fault in any point of the distribution system, there must be a coordination between the overcurrent protection relays in the network. For the coordination to work properly, the characteristics of the relays must be set correctly. One of the challenges that renewable energy sources bring to the protection system is the loss of coordination between the protection relays. Due to the variable current levels during the fault, the protection relays designed according to a single scenario lose their opening coordination due to currents from different busbars. This problem can be solved by readjusting the overcurrent protection relays according to the current state of the system.
One of the disadvantages that renewable energy sources bring to overcurrent protection systems in networks is the blinding of the overcurrent relays. When the renewable energy sources are integrated into the distribution system, the system switches to island mode as a result of the network being switched off. In case of a failure at any point with the change of current levels, the current flowing is smaller than the current flowing in normal condition. In this case, the overcurrent relays, which are designed with a larger current setting, will not produce a tripping signal, which will assume the normal operating current at the time of failure. This problem can be solved by adaptive change of the relay settings.
In recent years, along with the developing technologies, the relays have been developed which have been developed in protection relays and can communicate through various protocols. This has made the protection relays smarter. These relays have become available for cases where classical protection relays produce insufficient mold faults due to their communication characteristics. These relays, which can change their settings according to the current nutritional status of the system, provide adaptive and dynamic protection in distribution systems.
New generation relays can have more than one setting groups and they can communicate with each other or with different controllers via communication technologies. This makes it possible to replace the relay parameters with a remote controller or a control center. Although the new generation relays are more expensive than the older generation relays, they provide good selectivity in the next generation networks and increase reliability.
An adaptive protection system can consist of a new generation of relays, a SCADA system and a controller. However, controller and SCADA may not be preferred for small systems.The controller and the SCADA system are elements that significantly increase the cost of protection.
In adaptive protection systems, it is possible to monitor the system status and to set relay groups or to change the relay settings when the system structure is changed. In this case, a control system that monitors the system and sends its settings to the relays is required. It can also be designed in a SCADA system to monitor the system status from a center and to intervene when needed.
xxiii
In this thesis, adaptive protection algorithm was developed for a sample test system. The developed algorithm was coded in Rslogix 5000 program and the relay settings were calculated in DiqSILENT. Calculated relay settings have been tested by performing short circuit tests in different feeding conditions of the system.
With the help of the prepared SCADA application, it is ensured that the changing relay settings are seen from a center. In addition, using the SCADA system, it is possible to manually change the relay settings when required.
In this thesis, a free annual thesis license given number "XDD3Z-3UM4R-CCAFZ-7VMAL-57KXX " is provided for the DiqSILENT program used in load flow, short circuit analysis and relay parameterization.