Hidroelektrik santrallerde enerji yönetimi ve optimizasyonu için gerçek zamanlı bir dijital ikiz modeli tasarımı ve uygulaması
Design and application of a real-time digital twin model for energy management and optimisation in hydroelectric power plants
Yazar: MUSTAFA ERSAN
Danışman: PROF. DR. ERDAL IRMAK ; DOÇ. DR. TEVFİK KUTAY ÇELEBİOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, hidroelektrik santrallerde enerji yönetimi, operasyonel güvenlik ve
verimlilik süreçlerini iyileştirmek amacıyla Türkiye'de bulunan gerçek bir hidroelektrik
santraline yönelik dijital ikiz (Dİ) modeli geliştirilmiş ve bu teknolojiye dair yenilikçi bir
yöntem ortaya konulmuştur. Bu kapsamda, Dİ teknolojisinin temel kavramları ve
uygulama prensipleri detaylıca verildikten sonra santralin temel bileşenleri olan su giriş
vanası, türbinler, jeneratörler, trafo koruma rölesi ve hat fideri koruma rölesi için
matematiksel modeller ve dijital modeller oluşturulmuştur. Geliştirilen modeller üzerinde
gerçekleştirilen performans testleri ve analizler, gerçek sistemde yapılması riskli testlerin
Dİ ortamında güvenle uygulanmasını sağlamış; santral davranışları, farklı senaryolar
altında başarıyla öngörülmüştür. SCADA sistemi üzerinden elde edilen gerçek zamanlı
veriler ile Dİ modelinden üretilen tahmini verilerin karşılaştırılması, modelin doğruluğunu
kanıtlamış ve model, sensör arızaları ile diğer bileşenlerdeki hataları tespit etmekte etkili
bir araç olarak öne çıkmıştır. Bu sayede, önleyici bakım süreçleri optimize edilmiş, arıza
süreleri minimize edilmiş ve santral operasyonlarının güvenilirliği artırılmıştır. Dİ modeli,
santralin enerji yönetimi süreçlerinde anlamlı iyileştirmeler sağlayarak enerji üretim
verimliliğini artırmış ve bakım maliyetlerini düşürmüştür. Ayrıca, sürdürülebilirlik ve
çevre koruma hedeflerine katkı sunacak şekilde enerji üretim süreçlerini daha verimli ve
güvenilir hale getirmiştir. Çalışma, Dİ teknolojisinin yalnızca yazılım ortamında değil,
gerçek dünyada da etkili bir şekilde uygulanabileceğini göstermekte ve bu teknolojinin
gelecekteki enerji sistemlerine entegrasyonuna dair önemli bir referans sunmaktadır.

Abstract:
In this study, a digital twin (DT) model was developed and an innovative approach was
introduced for a real hydroelectric power plant in Turkey to improve energy management,
operational safety, and efficiency processes. Within this scope, after presenting the
fundamental concepts and application principles of DT technology in detail, mathematical
and digital models were created for the plant's key components, including the water intake
valve, turbines, generators, transformer protection relay, and feeder protection relay.
Performance tests and analyses conducted on the developed models enabled the safe
execution of tests that would be risky in a real system within the DT environment, and
plant behaviors were successfully predicted under different scenarios. The comparison of
real-time data obtained from the SCADA system with the estimated data produced by the
DT model validated the model's accuracy and highlighted its effectiveness as a tool for
detecting sensor failures and other component faults. This optimization of preventive
maintenance processes minimized downtime and enhanced the reliability of plant
operations. The DT model provided significant improvements in the plant's energy
management processes, enhancing energy production efficiency and reducing maintenance
costs. Furthermore, it made energy production processes more efficient and reliable,
contributing to sustainability and environmental protection goals. This study demonstrates
that DT technology can be effectively implemented not only in software environments but
also in real-world applications, offering a valuable reference for the future integration of
this technology into energy systems.