İletim sistemlerinin mesafe korumasında güç salınımlı simetrik arızaların tespiti için yeni bir yöntem
A new method in detecting symmetrical faults during power swings in distance protection of transmission systems
Yazar: ALKIM ÇAPAR
Danışman: PROF. DR. AYŞEN BASA ARSOY
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
İletim hatlarını koruyan mesafe rölelerinin doğru çalışması, güç sistemlerinin kararlılığı, sürekliliği ve güvenilirliği açısından çok önemlidir. İletim hatlarında çeşitli nedenlerden dolayı oluşabilecek 1-10Hz frekanslı güç salınımları ve hat performansını arttırmak için kullanılan kompanzasyon sistemleri, mesafe rölelerinde açma yapması gerekirken açmama, açma yapmaması gerekirken açma yapmasına yani güvenilir olmayan bir çalışmaya neden olabilmektedir. Bu çalışmanın amacı, hem yalın hem de kompanze edilmiş hatlarda farklı güç salınımları karşısında tepki vermeyen, güç salınımları altında oluşabilecek dengeli arızaların başlangıç ve bitiş anlarını tespit edip rölenin hem ana hem de yedek korumasının güvenli bir şekilde olmasını sağlayacak bir yöntemi geliştirmektir.  

Kompanze edilmemiş ve kompanze edilmiş iletim hatlarında mesafe rölesine güç salınımları altında yardımcı yöntemlerin yetersiz olduğu ve yeni bir yöntem ihtiyacı var olan yöntemlerle yapılan karşılaştırmalar ile gösterilmiştir. Bu sonuçlar kapsamında, güç sistemi parametrelerinden mümkün olduğunca bağımsız, geniş bir kullanım alanı olan, güç salınımı olduğu ve olmadığı durumlarda arıza anını yakalayan bir yöntem bu tez kapsamında geliştirilmiştir. Geliştirilen yöntemde, rölenin bulunduğu baradan alınan ölçümler kullanılarak elde edilen akımın DC bileşeni, gerilimin DC bileşeni beşinci harmonik gerilimi ve reaktif güç yönü değişimi ve bu parametrelerin zarflarından belirlenen dinamik eşik değerler güç salınımı altında arıza başlangıcı ve bitişini tespit etmede kullanılmıştır. 

İki farklı test sistemi PSCAD üzerinde modellenmiş ve güç salınımı altında simetrik arıza analizleri yapılmıştır. Bu analizlerden elde edilen üç faz gerilim ve akım değerleri MATLAB ortamında geliştirilen yöntem için giriş verilerini oluşturmuştur. Örnek test sistemleri üzerinde farklı frekanslarda kararlı-karasız güç salınımları ve salınım olmama durumu gibi güç salınımı parametreleri ile arıza konumu, direnci, arıza akım açısı gibi arızaya ilişkin parametreler değiştirilerek çok sayıda senaryolar oluşturulmuştur. Geliştirilen yöntemin etkinliği bu senaryolar karşısında değerlendirilmiştir.

Önerilen yöntem hem kompanze edilmemiş hem de kompanze edilmiş durumlar için literatürde geliştirilen yöntemlerle karşılaştırılmış ve sonuçlar paylaşılmıştır. Karşılaştırmalar yöntemin farklılıklarını, güçlü yanlarını ve gerekliliğini ortaya koymuştur, ayrıca gürültü ve doyma durumları da dikkate alınmış ve yöntemin bu dış etkenlerden etkilenmesinin ihmal edilebilir düzeyde olduğu görülmüştür.

Abstract:
The transmission line protection is ensured by the distance relays, which is an important factor for the stability, continuity, and reliability of the power system. The power swings with a frequency of 1-10 Hz that may occur in transmission lines due to various reasons and compensation systems used to increase line performance may cause distance relays not to open when they should, or to open when they should not, in other words, it may cause unreliable operation. The aim of this study is to develop a method that does not react to different power swings on both plain and compensated lines, detects the inception and clearance instants of the balanced faults that may occur under power swings, and ensures that the relay has both main and backup protection safely.

It has been shown through comparisons that the methods that auxiliary to the distance relay under power swings in compensated and uncompensated transmission lines are insufficient and a new method is needed. Within the scope of these results, a method that is as independent as possible from the power system parameters, has a wide usage area, and captures the instance of fault in cases where there is or is not a power swing, has been developed within the context of this thesis. In the developed method, the DC component of the current, the DC component of the voltage, the fifth harmonic voltage and the reactive power flow change obtained using the measurements taken from the busbar where the relay is located, and the dynamic threshold values determined from the envelopes of these parameters were used to detect the inception and clearance of the fault under power swing.

Two different test systems were modelled on PSCAD, and symmetrical fault analysis under power swings were performed. The three-phase voltage and current values obtained from this analysis constituted the input data for the method developed in the MATLAB program. Numerous scenarios have been created on example test systems by changing power swing parameters such as stable-unstable power swing at different frequencies, no swing, and fault-related parameters such as fault location, resistance, fault current angle. The effectiveness of the developed method was evaluated against these scenarios.

The proposed method was compared with the methods developed in the literature for both uncompensated and compensated scenarios and the results were shared. Comparisons revealed the differences, strengths, and necessity of the method, moreover noise and saturation were also taken into account, and it was seen that the method's influence from these external factors was negligible.