Elektrik dağıtım sistemlerinde adaptif koruma
Adaptive protection for electrical distribution systems
Yazar: ANIL ÇAĞLAR DOĞANCI
Danışman: DOÇ. ÖMER GÜL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Enerji koruma sistemleri = Energy protection systems ; SCADA = SCADA

Özet:
Elektrik dağıtım sistemi işleticileri, elektrik enerjisini ekonomik olarak kabul edilebilir maliyetlerle ve mümkün olan asgari kesinti süresi ve sıklığı ile kullanıcılarına sunabilmeleri gerekmektedir. Ancak, elektrik dağıtım şebekelerinin tasarımı ve yapımı ne kadar iyi olursa olsun işletilmeleri sırasında çeşitli hatalar ve arızalar ile karşılaşılmaktadır. Ortaya çıkan hatalar ve arızaların hem şebeke elemanlarına etkilerinin en aza indirilmesi hem de insan hayatına ilişkin tehlikeyi sınırlamak için koruma sistemleri kullanılmaktadır. 
Son yıllarda hızla artan yenilenebilir enerji kaynakları elektrik dağıtım sistemlerine orta gerilim ve alçak gerilim seviyesinde bağlanmaktadır.  Tek yönlü enerji akışına göre tasarlanmış ve işletilen elektrik dağıtım şebekelerine bağlanan dağıtık üretim kaynakları yeni problemler ortaya çıkartmaktadır. Ortaya çıkan bu problemlerin aşılması yenilenebilir kaynakların yaygınlaşması bakımından da önem arz etmektedir. 
Günümüzde haberleşme teknolojileri gelişerek birçok elektronik cihazda uygulanabilir hale gelmiştir. Bu yenilik koruma rölelerinde de uygulanmış ve farklı haberleşme protokollerine sahip sayısal koruma rölelerinin ortaya çıkmasını sağlamıştır. Bu sayede koruma röleleri daha esnek, akıllı ve üstün özelliklere sahip olmuşlardır.
Sayısal koruma röleleri sahip oldukları haberleşme imkânları sayesinde, klasik koruma sistemlerinin yetersiz kalıp hatalı çalışma yaptığı durumlar için çözümler sunabilmektedir. Koruma yaptıkları bölgedeki ekipmanların pozisyonlarından ve sistemin durumundan haberdar olarak çalışabilen koruma röleleri, mevcut koruma parametrelerini sistemin durumuna göre değiştirebilirler. Böylece koruma sistemlerini dinamik hale getirip, adaptif bir koruma sistemi olmasını sağlarlar. 
Adaptif koruma sistemleri özellikle birden fazla beslenme senaryosuna sahip olan dağıtım sistemlerinde hatalı çalışmaların önüne geçmek için çözüm olmaktadır. Bunun yanı sıra, mevsimsel yük değişiminin fazla olduğu, yeniden yapılandırmalara açık olan ve ihtiyaç halinde generatörlerin devreye girip çıktığı sistemlerde de adaptif koruma sistemleri kullanılabilir. Adaptif koruma sistemlerindeki koruma röleleri farklı senaryolar için farklı ayar gruplarını kullanabilir. Bu sayede koruma sisteminin, elektrik dağıtım sisteminin durumuna en uygun koruma parametreleri ile çalışmasını sağlayarak güvenirliliği arttırırlar. 
Adaptif koruma sistemleri tasarlanırken ilk olarak, elektrik dağıtım sisteminin çalışma senaryoları oluşturulur. Her bir senaryo için arıza analizleri yapılarak koruma parametreleri hesaplanır ve ayrı ayrı gruplanır. Böylece senaryo sayısı kadar ayar grup sayısı elde edilir. Bu işlemin ardından ayar grupları koruma rölelerinde tanımlanır.
Sistemin senaryolarına uygun ayar gruplarının koruma rölelerinde aktif hale getirilebilmesi için, akıllı bir cihaz ya da sisteme oluşturulan tüm senaryolar tanımlanır. Bu görevi yapması için SCADA sisteminden faydalanılabilir. SCADA sistemi önceden belirlenmiş olan senaryolar gerçekleştiğinde koruma rölelerine komut yollayarak koruma ayar grubunu değiştirir. Böylece koruma sisteminin dinamik bir yapıda olması sağlanarak, dağıtım sistemini adaptif olarak koruması gerçekleştirilir.
Bu tez çalışmasında klasik koruma sistemlerinin yetersiz kaldığı durumlar örnek dağıtım sistemleri kullanılarak incelenmiştir. Hatalı çalışmaların önüne geçebilmek için klasik koruma sistemleri yerine dinamik bir yapıya sahip olan adaptif koruma sistemlerinin kullanılması gerektiği vurgulanmıştır. Adaptif koruma sistemlerinin klasik koruma sistemlerinden daha etkin koruma yaptığı savunulmuştur.
Bununla beraber bu çalışmada klasik koruma sistemi ile korunan, işletme manevralarına bağlı olarak, farklı beslenme durumlarına sahip olan gerçek bir elektrik dağıtım sisteminin hatalı çalışma problemi ele alınmıştır. Bu problemi çözmek için, elektrik dağıtım sisteminin tüm çalışma senaryoları oluşturulup SINCAL yazılımında senaryolara ait kısa devre arıza analizleri yapılmıştır. Analiz sonuçları ve kullanılan ekipmanların katalog bilgileri göz önüne alınarak senaryo adedince koruma ayar grupları oluşturulmuştur. Oluşturulan bu ayar grupları SICAM 230 SCADA yazılımında da tanımlanarak,  uygun şartlar oluştuğunda koruma rölelerinde otomatik olarak aktif hale gelmesi sağlanmıştır.

Abstract:
Electrical distribution system operators should be able to provide electrical energy to their users with economically acceptable cost and the minimum possible duration and frequency of interruption. However, the design and construction of the electrical distribution network has done correctly, they encounter various faults and failures during their operation. Protection systems are used to minimize the effects of these faults to other network elements and danger on human life.
Protection systems aim to detect fault and fault type for continuity of energy. In order to fullfill this task, protection systems must work with high speed, reliability and selectivity. All of these properties are provided by correct protection relay coordination. Unfortunately, although protection relays have a correct coordination, in some special situations they can not work correctly. For instance, whenever protection area which is under the responsibility of relay is changed, protection relay starts to work incorrectly. 
One of the common problems about this issue occur when electric distribution system's operating status is changed from "open ring" to "close ring" or opposite. "Open ring" or "close ring" state operations directly cause a change in short-circuit current value. For instance in case of any fault, if electric distribution system is being operated in "open ring" and has a magnitude of 1A fault current; it will has a more than 1A fault current in "close ring". Thus, protection relays must have more than one protection parameter for "open ring" and "closed ring" to work correctly.
Moreover, at areas, where are affecting from weather conditionals a lot, have problems about protection relay coordination. This is why, at summer time consume of electricity is greater than at winter time. Therefore, if the protection system is designed for winter time, it will make wrong operations at summer time. To solve this problem protection system must have two setting groups for each season.
In addition, to reduce the inrush current of asynchronous machines, capacitors are connected parallel to the induction machines. This additional paralel connection affects the protection system negatively because it changes the magnitude of the inrush current. When asynchronous machine has a capacitor bank; current value, which comes from network, decreases. As a result, capacitor bank changes the protection settings of protection relay.
Furthermore, synchronous generators' synchronization relays must compare and check the magnitude of the voltage. Unfortunately, this value is not fixed and depends on the state of the circuit breakers which are connected the generator. To achieve this problem, synchronization relays must be informed the position of circuit breakers' position and use different setting groups to measure and compare the voltage magnitude. 
Other problem about synchronous generator is changes in generator mode. Basically, generator has two operating modes. One of them is "parallel mode with network", other one is "island mode". At island mode, generator only feeds the loads and doesn't export to network active power. While working this independent mode, generator's protection parameters about time settings are shorter than parallel mode.  Having two different time settings and one protection relay, requires the use of two different setting groups.
What is more, diesel generators which are used for backup power system, change the electrical network's short circuit power. So that, number of active diesel generator directly changes the magnitude of short circuit current. In this case, number of protection relays' setting group must be equal the number of the diesel generator which can be active whenever necessary.
Protection relays are expected to continue their tasks in these different situations. In other words, protection relays must not be affected from the changes in the structure of its protection zone. To achieve this, protection relays should notice the changes in their protection zone. 
In recent years, the rapidly growing renewable energy sources to the electricity distribution system is connected to the medium voltage and low voltage level, which were designed for one-way flow of energy primarily. This growth has created new problems of distributed generation sources. To overcome these problems is a vital importance.
Today, communication technology has developed to be applicable in many electronic devices. This innovation also applied in the protection relay and different communication protocols has led to the emergence of numerical protection relays. In this way, protection relays have become more flexible, intelligent and outstanding features.
Thanks to communication facilities they have, numerical protection relays provide solutions to situations in which a malfunction can be made by insufficient mold of conventional and classical protection systems. Depending on the state of the system and their position in the region, the system will know the status of equipment that can function and current protection parameters may change as a result. This leads protection systems to become dynamic and be an adaptive system.
Adaptive protection systems, especially in the distribution systems which have multiple operational scenarios, are the solution in order to prevent faulty operation. In addition to this, systems where seasonal load changes or re- configurations occur are in need of adaptive protection systems. Adaptive protection system protection relays can use different settings for different scenarios. By the condition of the network, protection system will provide optimum protection parameters, so the reliability of the sistem will be increased.
When designing a adaptive protection system first of all, electrical distribution system's operating scenarios are created. Protection parameters for each scenario are calculated and analyzed and grouped separately. Thus, number of the setting groups and number of the scenarios will be same. Following this transaction, setting groups are defined to protection relays.
To work with the optimal setting group, which belongs to the scenario of the electrical distribution system, intelligent device or system should be used. To do this task, SCADA systems may be utilized. SCADA system is able to send the commands to protection relays, when the pre-defined scenarios are occurred. Thus, protection relay's setting groups are changed automatically by SCADA system. Thereby ensuring that the dynamic structure of the protection system, distribution system protection is provided adaptively.
In this thesis, classic protection system's failure situations were investigated by using sample electric distribution systems. In addition it was emphasized that, in order to prevent mis-operations, instead of using classic protection systems, adaptive protection system which has a dynamic structure should be used. Moreover, it was argued that, adaptive protection systems are more effective than the classic protection systems.
Furthermore, in this study problem of mis-operations in real electric distribution system, which has a classic protection system and has a different feeding scenario, was discussed. To solve this problem, the whole operation scenarios of the electric distribution system scenarios were created and short-circuit fault analysis were performed for all scenarios by using SINCAL software. According to results of the analysis and the catalog information of the equipments, setting groups were created. These setting groups are also defined in SICAM 230 SCADA software. Thus, when the conditions are suitable to change the setting group of protection relays, SCADA provides this change automatically.