Elektrik güç sistemlerinde transformatörlerin yaşlanması koşulları altında verimlilik artışı amaçlı işletim koşullarının iyileştirilmesinin araştırılması
Research on improving the operational conditions of the transformers in the electric power system under ageing studies
Yazar: BANU ÖZTÜRK UÇAR
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektrik dağıtım firmaları için işletme giderleri (OPEX) ve yatırım giderlerinin (CAPEX) azaltılması önemli bir konudur. Şirketler, kesici, transformatör gibi elektriksel donanımları faydalı ömürlerinin üzerinde kullanarak yatırımları mümkün olduğunca ertelemek ve giderlerini azaltma eğilimindedirler. Donanım ömürlerinin arttırılması, yönetilmesi konuları ile ilgili çalışmaların sayısı her geçen gün artmaktadır. Özellikle Dağıtım şebekelerinin, akıllı şebeke oluşturmak için yaptığı yatırımlar ile DŞYY konusu ile ilgili çalışmalar tekrar gündeme gelmiştir.
Elektrik dağıtım şebekeleri, arıza veya herhangi bir yükün devreden çıkması gibi sebeplerle anahtarların açılıp/kapandığı dinamik bir yapı oluşturmaktadır. Dağıtım şebekelerinde anahtarların açılıp/kapanma ile konumlarının değiştirilmesi dağıtım şebekesinin yapısını değiştirmektedir. Anahtar konumlarının değiştirilmesi ile şebeke yapısının değiştirilmesi literatürde dağıtım şebekesinin yeniden yapılandırılması olarak yer almaktadır. DŞYY, arıza sonrası tüketicilerin farklı fiderlere aktarılarak enerjisiz kalmaması için yapılabildiği gibi şebekenin verimli çalışmasını sağlayacak farklı amaçlar için de yapılabilmektedir. Dağıtım şebekesi kayıplarını azaltmak, şebeke güvenirliği arttırmak, gerilim dağılımını iyileştirmek yapılandırmanın yapılma sebeplerinin içerisindedir.
DŞYY problemi karmaşık tamsayılı, çok amaçlı, lineer olmayan eniyileme problemidir. DŞYY probleminin çözümü ile çok sayıda araştırmacı kayıp minimizasyonu, yük dengelemesi, gerilim profilinin iyileştirilmesi, en az sayıda anahtarlama yapılması gibi farklı amaç fonksiyonları dikkate alarak çok sayıda farklı eniyileme yöntemi uygulamışlardır.
Dağıtım şebekelerinde anahtarlama problemi aslında belirli amaç fonksiyonunu gerçekleştirmek için eniyi anahtar çiftlerinin belirlenmesidir. Çok amaçlı lineer olmayan eniyileme problemidir.
Günlük, mevsimlik, yıllık olarak yük tahmini çalışmalarında kullanılan yük eğrileri şebeke planlaması ve işletilmesinde de kullanılmaktadır. Ölçüm cihazlarından elde edilen yük eğrilerinin incelenmesi ile yükün karakteristiği ile ilgili (yükün en yüksek talebi, puant olmayan zamanlardaki enerji tüketimi gibi) bilgiler alınabilir. Yük eğrileri günlük, haftalık, mevsimlik olarak farklılıklar göstermektedirler. Şebeke planlanması ve işletilmesinde yük eğrilerindeki değişimlerin dikkate alınması gerekmektedir.
Güç sisteminin önemli bir elemanı olan transformatörlerin yalıtım ömrü yani yaşlanması sıcaklığa bağlıdır. Sargılardan geçen akımın oluşturduğu kayıplar ısı olarak ortaya çıkmakta ve karesel olarak artmaktadır. Bundan dolayı geçmiş yük eğrileri ve yük tahminleri transformatör yaşlanması ile ilgili çalışmalarda oldukça önemlidir.
Bu tezde, dağıtım şebekesi eniyi çalışma koşullarının belirlenmesi için bir yaklaşım sunulmaktadır. Bu yaklaşımda, dağıtım şebekesi eniyi çalışma koşullarının belirlenmesi için transformatör yaşlanması ve mevsimsel etkiler dikkate alınarak bir yük dengelemesi yapılmaktadır. Eniyileme yöntemi olarak türev tabanlı yöntemler yerine, genetik algoritma ve sezgisel algoritmalar kullanılmıştır. Çalışmada Genetik Algoritma (GA), Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO), Tavlama Benzetimi (SA) gibi sezgisel algoritmaların uygulaması yapılmıştır. Literatürdeki benzer çalışmalardan farklı olarak eniyileme algoritmasının amaç fonksiyonuna transformatör ömür kaybı etkisi de katılmaktadır. Böylelikle, yük dengelenmesinden farklı olarak lineer olmayan transformatör yaşlanma etkisi dağıtım şebekesi eniyi çalışma koşullarının belirlenmesine katılmaktadır. Önerilen yaklaşım örnek sistem üzerinde ölçümsel veriler ve örnek test sistemleri kullanılarak uygulanmış ve elde edilen sonuçlar yorumlanmıştır. 
Yapılan çalışmada kullanılan yük eğrileri, ölçümlerden elde edilen gerçek yük eğrilerine dayalı olarak oluşturulmuştur. Hava sıcaklığı verileri ise Meteoroloji Genel Müdürlüğünden alınan gerçek hava sıcaklığı verileridir. Ayrıca transformatör yaşlanmasına Fotovoltaik üretimin etkisinin incelendiği çalışma bölümünde kullanılan Fotovoltaik üretim değerleri üniversitemizde yapılan ölçümlerden türetilmiştir. 
Tezde kullanılan OpenDSS programı, açık kaynak kodlu akıllı dağıtım şebekeleri ve şebeke modernleşmesi için EPRI tarafından geliştirilmiş bir benzetim programıdır. Günümüzde OpenDSS yaygın olarak kullanılan büyük hesaplama kolaylığı sağlayan bir analiz programıdır. OpenDSS en önemli özellklerinden birisi COM arayüzü ile Matlab ortamıyla bağlantı olanağı sayesinde eş zamanlı analize izin vermesidir. Önerilen transformatör faydalı ömrünü uzatan algoritma Matlab ortamında evrimsel algoritmalarla ve OpenDSS yazılımı ile uygulanmıştır. Ortam sıcaklığı ve transformatör yük dataları giriş değişkenleri olarak transformatör yaşlanmasını hesaplamak için Matlab programında kullanılmıştır. Matlab komutları ile OpenDSS programının özelliklerine ulaşılabilmektedir. Bu komutlar, anahtar konumlarının değiştirilmesi, yük akışının uygulanması, sonuçların alınması gibi komutlardır.
Yapılan bu çalışma ile, DŞYY probleminin çözümü için şebeke kayıplarına transformatör ömür kaybının da eklendiği yeni bir amaç fonksiyonu tanımlanarak kayıpların ve transformatör yaşlanmasının minimum olduğu  anahtar çiftlerinin belirlendiği yeni şebeke yapısının belirlenmesi hedeflenmektedir. Bunu gerçekleştirirken zaman serisi analizleri kullanılmış, farklı periyotlar için en uygun anahtar konumları belirlenmiştir. Dağıtım şebekesi topolojisinin değişimi, şebeke kayıpları ve transformatör yaşlanmasına etki etmektedir. Uygun şebeke topolojisi seçilerek transformatör yaşlanma hızı azaltılabilmekte ve transformatör faydalı ömrünün  daha verimli olarak kullanılabilmesi sağlanmaktadır. Böylelikle hem donanımdan en yüksek fayda sağlanmış olmakta hem de şebeke verimliliği arttırılmış olmaktadır.

Abstract:
Minimization of investment and operating costs for distribution utilities are crucial under market conditions. Distribution utilities choose to postpone investments by extending the lifespan of the existing electrical equipments such as switching devices and distribution transformers. Distribution Companies tend to operate transformers over its useful life to maximize the return on their investment. The studies on the distribution feeder reconfiguration (DFR) have been brought up because distribution utilities have made increased investments in smart distribution systems. 
Distribution feeder reconfiguration (DFR) problem can be formulated as a mixed integer, nonlinear multiobjective optimization problem. Many researchers applied various optimization methods to solve DFR problem, and they considered different objectives such as loss minimization, feeders load balancing, voltage profile improvement, minimizing switching of circuit breakers, etc. Over the last two decades, much research has been focused on minimization of the construction cost in distribution feeders, in planning stage of the system. Recent studies have dealt with system operation problem to find optimum topologies using existing switching devices.
The distribution feeder reconfiguration (DFR) problem can be formulated as a multi-criteria optimization problem to select optimal network configuration achieved objectives in among of possible configurations with constraints. In the problem besides the main objective that is to minimize the aging of transformer, the minimization of power losses, improvement of the voltage profiles etc. can also be considered among objectives. 
Load forecasting studies are generally based on daily, seosonal and yearly load curves, and these curves are used both planning and operating of the power systems. A load curve can be obtained by using meter readings. The information contained in a load curve can be analyzed to determine some load characteristics such as the time of occurrence of peak demand, the percentage of total electrical energy use occuring during off-peak hours,etc.
In the literature, the well-known objective such as minimization of losses, improvements of voltage profiles have been included in the optimization formulation. The main contribution in this study is to include the loss of transformer life to the network reconfiguration problem. In the proposed approach, the reconfiguration problem is formulated as a multiobjective optimization problem to reduce total power loss and to balance loads taking into consideration the life extension of distribution transformers over a time period such as a month or a seasonal. The resulting optimization problem is solved using genetic algorithm (GA) that has already been successfully applied to solve several both operational and planning optimisation problems in power systems. GA has been used to solve difficult constrained optimisation problems with multi- objective functions which are discontinuous and non-differentiable, and it can also find global optimum.
Open Source Distribution Simulator (OpenDSS) developed by Electric Power Research Institute as a open-code is a distribution system simulator to promote smart grid application and network modernization. Today, OpenDSS is a comprehensive distribution system simulation program, which is used to calculate power flow solutions and which provides great ease of calculation. One of the most interesting features of OpenDSS is that power flow outputs such as system losses, branch current and bus voltages can be returned to Matlab with COM interface. The proposed transformer loss of life extention algorithm is performed using Matlab-GA toolbox and OpenDSS softwares. Ambient temperature and transformer load data are input variables for calculating transformer aging rates using Matlab program. Access to OpenDSS features has been possible with use of Matlab commands. These commands are changing switch positions, implementation of power flow and extracting results. 
In this study, the life extension of existing transformers is considered as an objective together with other economical ones such as loss minimization in the reconfiguration process. In the proposed approach, the problem is handled as a load balancing problem considering life extension of transformers over a time period using quasi-static time series (QSTS) simulations and problem is solved under operating constraints such as current carrying capacities of feeders to find optimum system topology.
The load curves used in the study were provided from the real measurements obtained from different type of consumers in an Anatolian city. Used air temperature data is the actual data taken from the Turkish State Meteorological Service. In addition, the photovoltaic production values used in the study section, where the effect of photovoltaic production on transformer aging is examined, are derived from the measurements performed in Istanbul Technical University's PV system.
The life of the insulation used in a transformer strongly depends on the temperature, and the temperatures above the limiting values reduce the normal life of the insulation. The load loss in the form of heat occurs in the transformer windings due to both the resistance of the winding conductor and the current flowing through the conductor. The amount of the heat increases by the square of the load current. Therefore, the historical load curves and future load forecasting in a transformer substation are very important for the studies on transformer aging. Ambient temperature also has an effect on aging of transformer. Therefore, ambient temperature data is used in aging calculation.
Thesis study consists of six chapters. In the first chapter, the purpose and importance of the thesis are emphasized and the literature study is presented. Next chapter of the thesis describes the issue of reconfiguration of distribution system and the reconfiguration problem. In the third chapter, the subject of transformer aging is examined and transformer aging calculation is explained based on standards. In the next section, distribution system reconfiguration method, which reduces aging of transformer and increases the efficiency of the network, is explained. In another part of thesis study, the effects on PV system on transformer aging and aging acceleration are seasonally explored. In the last part of the thesis study, the effectiveness of the method was tested in sample test systems and the results were presented. Genetic, PSO ve SA algorithms are used as the optimization method.