Mikroşebekelerin aşırı akım rölesi ile adaptif ve entegre korunması
Adaptive and integrated protection of the microgrids with overcurrent relays
Yazar: FATİH ÖZVEREN
Danışman: PROF. DR. ÖMER USTA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Yenilenebilir enerji kaynaklarının daha verimli ve daha erişilebilir hale gelmesiyle birlikte birçok birey veya kurum kendi elektrik enerjilerini üretmeye başlamıştır. Ayrıca, merkezden uzak küçük yerleşim birimlerine yüksek güçlü merkezi santrallerde üretilen  elektrik enerjisini iletmek masraflı bir işlemdir. Bu temel sebepler mikroşebeke kavramının ortaya çıkmasını sağlamışlardır.
Mikroşebekelerin amacı aynı şehir şebeke sistemlerinde olduğu gibi elektrik üretmek ve üretilen elektriği civardaki yüklere iletmektir. Ancak, mikroşebekeler boyutları bakımından daha küçüktür, ayrıca bir çok dağıtık üretim kaynağı içermektedirler. Bu dağıtık üretim kaynakları güneş panelleri, rüzgar türbinleri, biyogaz tesisleri, çeşitli enerji depolama üniteleri gibi genellikle düşük güçlü kaynaklar olmaktadır. 
Mikroşebekeler sadece mikro generatör olarak adlandırılan bu düşük güçlü dağıtık üretim kaynakları ve çeşitli yükler ile işletilebilirler veya bir ana şebekeye bağlı olarak çalışabilirler. Şebekeye bağlı çalışma durumunda mikroşebekede üretilen fazla enerjiyi ana şebekeye aktarırlar, eğer yerel kaynaklarda üretilen enerji bölgedeki yükler için yetersiz kalıyorsa ana şebekeden enerji alırlar. Herhangi bir arıza durumunda veya istemli olarak, mikroşebekenin ana şebekeyle olan bağlantısı kesilebilir, böylece mikroşebeke güç adası modunda çalışmaya başlar. Mikroşebekeler gerekli koruma ve kontrol sistemlerine sahiplerse ada durumunda çalışmaları bir sorun teşkil etmez aksi halde sistem düzgün şekilde çalışmayacak, frekans ve gerilimde büyük değişimler meydana gelecektir.
Mikroşebekeler genellikle birden fazla kaynak içerdikleri, yenilebilir enerji kaynakları gibi oldukça değişken güç üreten kaynaklar barındırdıkları, şebekeye bağlı ve güç adası modunda olmak üzere farklı çalışma durumlarına sahip oldukları için güç akışı da buna bağlı olarak büyük değişimler gösterebilmektedir. Bu sebeple mikroşebekelerin kontrolü ve koruması radyal yapıya sahip geleneksel şebekelere nazaran daha zordur.
Günümüzde sıklıkla karşılaştığımız geleneksel yönlü aşırı akım koruması birçok büyük sistemi başarıyla korumak için yeterli olabilmektedir. Bu koruma sisteminde kullanılan röleler akımın genliğine bakarak arızayı tespit eder, akımın yön bilgisi de arızanın koruma bölgesinde olup olmadığını tespit etmesine yardımcı olur. Eğer örnek sistemde olduğu gibi ters zamanlı röleler kullanılırsa rölelerin zaman gecikmeleri de akımın genliğine bağlı olarak değişecek şekilde ayarlanabilir. Bu tip rölelerin koordinasyonu için ardışık röleler arasında zaman aralıkları kullanılır. Rölenin arızayı algılama alt sınırının belirlenmesi ve zaman aralıklarının uygulanması için rölenin ayar değerleri olan IS ve TMS uygun şekilde ayarlanır.
Birbirleri arasında veya merkezi bir kontrol ünitesiyle haberleşme hattına sahip olmayan bu rölelerin ayarlarının bir kez ayarlandıktan sonra tekrar değişmesi sadece manuel olarak mümkündür, bu işlem otomatik olarak gerçekleşemez. Bu sebeple bu koruma şeklinin, şebekedeki yük akışının sıklıkla değiştiği durumlarda kullanılması oldukça güçtür.
Yük akımının sıklıkla değiştiği durumlar için bu değişimlere uyum sağlayabilen bir koruma sisteminin kullanılması gerekmektedir. Bu koruma sistemi de adaptif koruma sistemi olarak adlandırılır. Adaptif koruma şebedeki akım bilgilerini ve kesicilerin durumlarını kontrol eder, değişiklik tespit edilmesi durumunda yük akışını tekrar hesaplar ve röle ayarlarını buna bağlı olarak değiştirir.
Adaptif koruma sisteminin uygulanması için rölelerin bir ana merkezle haberleşmesi zorunluluğu bulunmaktadır, aksi halde hesaplamalar değişimlerden sonra tekrar yapılarak rölelere aktarılamaz. Ayrıca arızanın her an gerçekleşebilme ihtimaline karşı haberleşmenin oldukça hızlı olması gerekmektedir. Böyle geniş ve hızlı bir haberleşme ağını kurduktan sonra entegre korumanın uygulanması klasik koruma metodlarına göre daha kolay ve hızlı olur.
Entegre koruma sistemi aynı baraya bağlı kesicilerin bir entegre röle tarafından kontrol edildiği ve bütün entegre rölelerin bir merkezle haberleşerek çalıştığı bir sistemdir. Bu sistemin daha hızlı olması istenirse entegre rölelerin birbirleriyle haberleşmesi de sağlanabilir. Bu durumda entegre röleler kendi baralarından aldıkları ölçümleri ve diğer entegre rölelerin ölçümlerini karşılaştırarak arızayı ve arızanın yerini kısa sürede tespit edebilirler. Bu sistemde röle koordinasyonu için fazladan bir ayara ihtiyaç duyulmaz.
Bütün bunlar dikkate alındığında, mikroşebekeler için adaptif-entegre bir koruma sisteminin yönlü aşırı akım röleleriyle oluşturulmuş geleneksel bir sisteme göre korumanın seçiciliği ve güvenilirliği açısından daha avantajlı olduğu söylenebilir. Ancak, merkezi bir kontrol ünitesine bağlı haberleşme özelliğine sahip bir koruma sistemi yönlü aşırı akım röleleriyle oluşturulmuş geleneksel bir sisteminden daha karmaşıktır. Bu sebeple, mikroşebekeleri korumak amacıyla adaptif-entegre bir koruma sisteminin tercih edilmesinin daha uygun olacağının gösterilmesi gerekmektedir. 
Karşılaştımanın yapılabilmesi amacıyla örnek bir mikroşebeke modellenmiş ve bu şebekede her iki koruma sistemi de uygulanmıştır. Örnek mikroşebeke normal durumda şebekeye bağlı olarak çalışmaktadır, ayrıca güç adası modunda da çalışabilmektedir. Aslına uygun bir örnek teşkil etmesi için güneş enerjisi santrali, rüzgar türbini ve biyogaz tesisi gibi yenilenebilir enerji kaynakları ve çeşitli güçlerde yüklerden oluşturulmuştur.
Örnek sistemin normal çalışma durumu maksimum yükte çalışma olarak belirlenmiş ve koruma sistemlerinin ilk ayarları bu duruma göre yapılmıştır. Geleneksel koruma sisteminde bu ayarlar her durum için sabit kalırken adaptif-entegre koruma sistemi farklı durumlara göre rölelerin akım ayar değerlerini (IS) belirli bir algoritma yardımıyla değiştirmektedir.
Koruma sistemlerinin karşılaştırılması için dört farklı durum belirlenmiştir. Bu durumlar normal çalışma, bir kısım yüklerin devreden çıkarılması, yerel kaynaklardan birinin devreden çıkarılması ve güç adası modunda çalışma durumlarıdır. Bütün bu durumlar için 1 numaralı hatta 3 faz, faz faz, faz faz toprak ve tek faz toprak arızaları gerçekleştirilmiştir.
Yönlü aşırı akım röleleri (YAAR) ile uygulanan geleneksel korumanın koordinasyonu, arızanın gerçekleştiği hattın iki ucundaki rölelerin yedek korumayı sağlayan diğer hatlardaki rölelerden daha önce kesicilere açma sinyali göndermesi esasına dayanır. Bu durumda hatalı açma sinyallerini önlemek için sistemdeki ekipmanların özelliklerine bağlı olarak yedek koruma ile birincil koruma arasında belirli bir zaman aralığı bulunması gerekir. Örnek sistemde bu zaman aralığı 300 - 350 ms olarak belirlenmiştir.
Adaptif-entegre koruma sisteminde ise hatların korunması, akım yönlerinin karşılaştırılması prensibine dayanmaktadır. Bu durumda arızayı tespit eden entegre aşırı akım rölesi (EAR) komşu EAR'lerle haberleşerek yön sorgulaması yapar. Her iki EAR tarafından da hattın ortasına doğru akan akım tespit edilirse arıza da tespit edilmiş olacaktır.
Normal çalışma ve bir kısım yüklerin devreden çıkarılması durumlarında her iki koruma sistemi de beklendiği üzere doğru bir biçimde çalışmıştır. Sistemde değişiklik olmasına rağmen ikinci durumda da YAAR ile geleneksel korumanın doğru biçimde çalışmasının sebebi, yüklerin devreden çıkarılmasının arıza durumunda akan akım üzerindeki sınırlı etkisidir.
Ancak, yerel kaynaklardan birinin devreden çıkarılması ve güç adası modunda çalışma durumlarında YAAR kullanılarak oluşturulan sistem seçicilik ve güvenilirlik konusunda başarısız olmuştur. Adaptif-entegre koruma sistemi ise her iki durumda da başarılı bir şekilde çalışmaya devam etmiştir.
Sonuç olarak, mikroşebekelerde adaptif-entegre koruma sisteminin YAAR ile oluşturulan geleneksel koruma sisteminden daha başarılı bir koruma sağladığı bu çalışmayla beraber gösterilmiştir.

Abstract:
Many individuals or institutions produce their own electricity, after renewable energy sources become more efficient and more accessible. Moreover, transmitting electrical energy produced by central high-powered plants to rural areas that are far away from city centers is considerably costly operation. These basic reasons lead to microgrid concept.
The objective of microgrids is producing electricity and transmitting it to surrounding loads, similar to the large networks. However, microgrids are smaller than these networks, in addition to; they contain many distributed energy resources. These distributed energy resources are generally low-power sources, such as solar panels, wind turbines, biogas plants, and various energy storage units.
Microgrids can operate with only these kinds of low-power distributed energy resources called as microgenerators and various types of loads or they can operate while connected to a main network. Microgrids transfer the excess energy to the main network during grid-connected mode. If the energy produced by local sources is insufficient for local loads, microgrids take energy form the main network. The connection between microgrid and main network can be interrupted on purpose or under emergency. Thus, microgrid operates in island mode. If a microgrid is operated by proper control and protection systems, then operating in island mode cause no issues. Otherwise, the system will not operate in the correct way, major changes will occur in frequency and voltage values.
Power flow in microgrids can alternate greatly because microgrids generally contain more than one source, operate with renewable energy sources produces quite variable power and have two different operation modes that are grid-connected and island mode. Therefore, control and protection of the microgrids are more difficult than the traditional networks that have radial structure.    
Traditional directional overcurrent protection is a widespread method for protection and it is generally sufficient for protecting large networks. Relays that are used in this protection method determine faults by analyzing the amplitude of current. Direction of the current aids the relay while it determines whether the fault occur in the protection zone or not. If inverse time overcurrent relays are used as the sample microgrid system, operation time of the relays can be set to change depending on the amplitude of the current. Coordination time intervals are used between the consecutive relays for the coordination of inverse time overcurrent relays. IS and TMS values are set properly to determine the minimum limit value for sensing the fault and to apply coordination time intervals.
Set values of this type of relays that have no communication line between each other or a central control unit can only be changed manually, this operation can not occur automatically. Therefore, this traditional protection method can not be applied on the networks that have frequently alternating load flow.
For frequently alternating load flow condition of the network, a protection system that can adapt itself to this condition should be applied. This protection system is called as adaptive protection system. Adaptive protection system tracks the current values and circuit breaker (CB) status of the network. If a major change is determined by the protection system, then the system calculates load flow again and changes the set values of the relays depending on the load flow.
To apply adaptive protection system on a network, relays should communicate with a central unit. Otherwise, new set values calculated after changes can not be transferred to the relays. Moreover, communication should be fast because the fault can occur at any moment. After establishing a fast and wide communication network, applying integrated protection will be faster and easier than conventional protection methods.
Integrated protection system is a relatively new type of protection system that all CBs connected to same bus are controlled by an integrated relay and all integrated relays in the protection system communicate with a central unit while operating. If integrated relays communicate each other, then the system will operate faster. In this way, integrated relays compares the measurements taken from their own buses and the measurements of the other integrated relays to detect the fault and location of the fault in a short time. Additional set value is not needed for the relay coordination for this system.
When all these characteristics are taken into consideration, an adaptive-integrated protection system will be more successful than a traditional protection system consisted by directional overcurrent relays in terms of selectivity and reliability. On the other hand, it is obvious that implementation of a protection system connected to central unit with a communication feature is more difficult than implementation of a traditional protection system consisted by directional overcurrent relays without communication. Therefore, it should be revealed that to prefer adaptive-integrated protection system is more proper way to protect microgrids.
To compare these two protection systems, a microgrid is modeled on the MATLAB environment using Simulink tools and both of the protection systems are applied on the microgrid. Sample microgrid network operates in grid-connected mode normally; it can also operate in island mode. To constitute a realistic example, the sample microgrid contains renewable energy resources such as solar power plant, wind turbine and biogas plant and loads that have various amount of power consumption. 
Normal operation condition of the sample microgrid is determined as operating at maximum load, then set values of the protection systems are calculated according to this condition. Whereas the set values remain stable for all conditions for the traditional protection system, current pick up values (IS) of the integrated relays by means of a predetermined algorithm for adaptive-integrated protection system. 
Four different cases are determined for the comparison of the protection systems. These cases are normal operation, switching of certain loads, switching of one of the local sources, island mode operation. For all these conditions, 3 phase, phase to phase, phase to phase ground and single phase to ground faults are performed on the Line 1. 
The coordination of the traditional protection with directional overcurrent relays are based on the primary protection and back-up protection concepts. Whenever a line fault is detected, CBs that located on the both end of the line are expected to trip. If primary protection can not clear the fault, then back-up protection will operate. There should be a certain time interval between primary and back-up protection that is determined depending on the properties of the network equipments to prevent CBs from faulty tripping. This time interval is determined 300 - 350 ms for the sample network.
Line protection is based on the comparison of the current directions for the adaptive-integrated protection system. In this case, the integrated overcurrent relay (IOR) that detects the fault communicates with neighbor IORs for direction comparison. If two IORs located on the both end of a line detect current flowing through opposite directions, then the location of the fault will be confirmed. 
Both of the protection systems are operated correctly during first two cases, normal operation and switching of certain loads as expected. Main reason of the correct operation of traditional protection with directional overcurrent relays (DOR) despite the changes in the system is the limited effect of load switching on the fault current.
However, traditional protection that consists of DORs fails in terms of selectivity and reliability during last two cases whereas adaptive-integrated protection system manage to operate successfully in both cases.
As a result, this study presents that adaptive-integrated protection system is more successful than traditional protection system with directional overcurrent relays (DOR) for microgrids.