Akıllı dağıtım şebekelerinde işletim koşullarının iyileştirilmesine yönelik çok ajanlı kontrol yönteminin geliştirilmesi
Developing multi agent control methods for improved operational conditions in smart distribution networks
Yazar: GÖRKEM ŞEN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA BAYSAL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Tesisleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Akıllı şebekeler = Intelligence networks ; Dağıtım şebekeleri = Distribution networks ; Elektrik enerji sistemleri = Electrical energy systems ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Dünyadaki nüfus artışına ve ekonomik büyümeye bağlı olarak elektrik enerjisine duyulan talep giderek artmaktadır. Günümüzde enerji talebinin büyük bir kısmı fosil kökenli yakıtlar kullanılarak karşılanmaktadır. Ancak mevcut fosil kökenli yakıtlara ait rezervlerin giderek azalması ve bu yakıtların tüketiminin küresel ısınmaya sebep olup ekolojiye zarar vermesi, ülkeleri yeni arayışlara yönlendirmiştir. Bu sebeple, konvansiyonel (geleneksel) içten yanmalı ulaşım araçları yerine elektrikli ulaşım araçlarının kullanımı, mevcut elektrik güç sistemlerini daha verimli hale getirilmesi ve yenilenebilir enerji kaynaklarının (YEK) kullanımlarının arttırılması gibi çözümler öne sürülmüştür.

Yaklaşık 130 yıl öncesine dayanan mevcut elektrik şebekeleri günümüz ihtiyaçlarını karşılayamamaktadır. Örneğin, güç sistemlerinde puant talep, nüfus artışı, verimsiz elektrikli cihazların kullanımı, kullanıcı tercihleri ve gereksiz enerji israfları nedeniyle son yıllarda artış göstermiştir. Üstelik sisteme dâhil olan YEK'lerin giderek artması üretim tarafındaki planlamalarda zorluklara neden olmaktadır. Ayrıca mevcut klasik elektrik şebekesinde üretilen elektrik enerjisi depolanamadığından dolayı son kullanıcıya elektriğin hemen ulaştırılması gerekmektedir. Dolayısıyla, üretim ile tüketimin her an dengede tutulması gerekmektedir. Elektrik enerjisinin üretim ile tüketim miktarı mevsimlere, bölgelere ve günün belirli saatlerine göre büyük değişiklikler göstermesi dalgalanmaların yaşandığını net bir şekilde göstermektedir. Ayrıca, artan elektrik enerjisi talepleri, şebekenin dengesiz yüklenmesine, düşük yük faktörünün oluşmasına ve şebekede oluşan kayıpların artmasına neden olmaktadır. Ayrıca elektrik enerjisinin üretimi, iletimi, dağıtımında verimli kullanılmaması sonucunda kayıplar oluşmaktadır. Mevcut durum karşısında yeni bir elektrik şebekesi yaklaşımına ihtiyaç duyulmuştur. Bu sebeple, akıllı şebeke (smart grid) olarak isimlendirilen yeni elektrik şebekesi yapısı üzerinde tüm dünyada araştırma ve geliştirme faaliyetleri yürütülmektedir. Bu bağlamda, gelişmiş ve gelişmekte olan birçok ülke, akıllı şebekenin farklı alanları için ciddi boyutta teşvik programları oluşturmaya başlamıştır. Bütün bu gelişmeler göz önünde bulundurulduğunda, ülkemizde araştırılmaya yeni başlanan akıllı şebekeler konusunda bir tez çalışmasının yapılması önemli olarak görülmüştür.

Sunulan doktora tez çalışması ile akıllı şebeke altyapısını kullanan ve büyük oranda YEK'lerden oluşan dağıtık üretim (DÜ) birimlerinin uygun işletimini sağlayan güç yönetim kanunları önerilmektedir. Söz konusu kanunlar hazırlanırken, yapay zekâ çalışmaları içerisinde yer alan çok ajanlı sistemler (multi agent systems) olarak adlandırılan kontrol metodundan yararlanılmıştır. Önerilen kanunlar ile şebekenin maksimum verimle çalışması ve üretim-tüketim dengesinin sürekli olarak sağlanması hedeflenmektedir. Böylelikle, YEK'lerden verimli bir şekilde faydalanılacağından, şebeke kayıplarının azaltılması, trafoların ve hatların aşırı yüklenmesinin önlenmesi ve dolaylı olarak da karbondioksit gazı salınımının azaltılması öngörülmektedir.  Akıllı şebeke teknolojisi ile enerji verimliliğinin arttırılmasının yanı sıra enerji kalitesine de olumlu katkılar sağlanacaktır. 

Bahsedilen güç yönetim kanunlarının etkin olarak uygulanabilmesi için öncelikle akıllı şebeke özelliklerini taşıyan örnek bir güç sistem modeli oluşturulmuştur. Elektrik güç sistemi modeli olarak, IEEE'nin 13 baralı test sistemi tercih edilmiş ancak model üzerinde çeşitli değişiklikler yapılarak kullanılmıştır. Bir sonraki aşamada, yenilenebilir enerji bazlı DÜ birimlerini de içeren bütün bileşenlerin detaylı benzetim modelleri oluşturularak güç sistemine entegre edilmiş ve böylece bir mikro şebeke yapısı oluşturulmuştur. Oluşturulan sistem üzerinde geliştirilen kanunların özellikle enerji kayıpları ve gerilim profilleri üzerindeki etkileri farklı çalışma senaryolarında test edilerek, sonuçlar değerlendirilmiştir.

Abstract:
Demand for electricity is steadily increasing due to both population growth and economic growth in the world. Today, most of the energy demand is met by the use energy sources based on fossil fuels. However, due to decreasing reserves of fossil fuels and the consumption of these fuels caused global warming and damage to ecology, countries are in search of alternative ways. For this reason, some solutions such as using electric vehicles instead of conventional vehicles, making existing electrical power systems more efficient and increasing the use of renewable energy sources (RESs) have been proposed.

The current electric power systems that have been in operation for 130 years can not meet today's needs. For example, peak demand in electrical power systems has increased in recent years due to population growth, use of inefficient electrical devices, user preferences and unnecessary energy wastage. Moreover, the increasing number of RESs included in the system cause some planning difficulties in the supply side. In addition, the electricity generated in the conventional electrical power system can not be stored and it is necessary to deliver electricity to the end users immediately. Therefore, the balance between supply and demand should be provided any moment. The amount of generation and consumption of electric energy varies greatly by the seasons, the regions and the specific time of the day. It is clear that consumption and generation fluctuations would occur in this case.  Also, increased electrical energy demands cause an unbalanced loading, a low load factor and increasing losses in the electrical power system. In addition, losses occur as a result of inefficient use of electric energy in the generation, transmission, distribution. A new electrical power system approach is needed in the current situation. For this reason, research and development activities are being carried out all over the world on the new electrical power system structure called "smart grid". In this regard, many developed and developing countries have begun to create incentive programs at significant levels for different areas of the smart grid. Considering all of these aspects, it is important to carry out a thesis on the smart grids that have just begun to be searched in our country.

This PhD thesis proposes power management laws that use smart grid infrastructure and provide the proper operation of distributed energy systems, which are mainly composed of RESs. While the mentioned power management laws are set, the control method called multi-agent systems in artificial intelligence studies is utilized. With the proposed laws, it is aimed to operate the electric power system with maximum efficiency and to be ensured the balance between supply and demand continuously. In this way, because it is effectively benefited from RESs, it is foreseen the reduction in power system losses, relief in loading of transformers and lines, and thus to reduction in carbon emissions. With smart grid technology, in addition to increasing in energy efficiency, energy quality will be positively affected.

In order to implement these power management laws effectively, an exemplary power system model with smart grid features has been established. As an electrical power system model, although IEEE's 13 node test feeder has been preferred, it has been used with various modifications on the model. In the next stage, detailed simulation models of all the units including the renewable energy-based distributed generation resources are created in the simulation environment and by integrating them into the electrical power system a micro grid structure is created. The effects of laws developed on the system, especially on energy losses and voltage profiles, are tested in different case studies and then the results are evaluated.