Aktif dağıtım şebekelerini asimetrik arızalara karşı korumak için yeni bir tümleşik koruma sistemi tasarımı ve geliştirilmesi
Design and development of a novel integrated protection system to protect active distribution networks against asymmetrical faults
Yazar: FATİH ÖZVEREN
Danışman: PROF. DR. ÖMER USTA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Adaptif koruma sistemleri = Adaptive protection systems ; Akım koruma rölesi = Current protect relay ; Aşırı akım (koruma) rölesi = Over current (protection) relay ; Elektrik dağıtım sistemleri = Electric distribution systems ; Enerji koruma sistemleri = Energy protection systems ; Güç dengesizliği = Power imbalance ; Koruma röleleri = Protection relays

Özet:
Tarih boyunca elektrik sistemlerinin temel amacı kaynaklarda üretilen elektrik enerjisini yüklere kadar aktarmak olmuştur. Elektrik sistemleri temel olarak üretim, iletim ve dağıtım olmak üzere üç bölümlü bir yapıya sahiptir. Üretim tarafında elektrik santralleri bulunur, iletimde iletim hatları ile büyük çaplı endüstriyel yükler bulunmaktadır, dağıtımda ise elektriğin hanelere ve endüstriyel yüklere ulaştırılması sağlanır. Elektrik sistemleri uzun yıllar boyunca üretimden dağıtıma ve oradan da son kullanıcıya doğru uzanan radyal ve tek yönlü güç akışına sahip bir yapı ile işletilmekte idi. Ancak, son yıllarda bilişim ve haberleşme teknolojisinde yaşanan gelişmeler ile bu yapı değişmeye başlamıştır.
Günümüzün modern elektrik şebekelerinde, dağıtım bölgesinden de üretimin gerçekleşebildiği dağıtım şebekeleri yaygınlaşmaya başlamıştır. Dağıtık üretim tesislerine, yenilenebilir enerji kaynaklarına, güç elektroniği devrelerine, enerji depolama aygıtlarına, akıllı elektronik cihazlara sahip olan bu şebekeler aktif dağıtım şebekeleri olarak adlandırılırlar.
Aktif dağıtım şebekelerinde bulunan dağıtık üretim tesisleri ve enerji depolama aygıtları, geleneksel radyal şebekelerin kaynaktan yüke doğru uzanan tek yönlü güç akışı yapısı yerine güç akışının çift yönlü olabildiği bir yapıya sebep olmaktadır. Aynı zamanda, yenilenebilir güç kaynaklarının çevresel faktörlerden etkilenmesi sebebiyle güç üretimi değişkenlik göstermektedir. Her ne kadar, güç üretiminin farklı noktalardan gerçekleşebilmesi önemli bir avantaj sağlasa da dağıtım şebekesinin işletilmesini kompleks bir hale getirmektedir. Bu sebeple, bu şebekelerin işletilmesi, korunması ve kontrolü için, gelişen teknolojilerinden imkanlarından faydalanılarak, yeni yöntemler geliştirilmiştir.
Dağıtım şebekelerinin korunması için kullanılan en temel yöntem aşırı akım korumasıdır. Aşırı akım koruması radyal sistemlerin korunması için kullanılabildiği gibi, yön fonksiyonu sayesinde halka tip şebekelerin de korunmasında kullanılabilmektedir. Ancak, değişken ve çift yönlü güç akışına sahip aktif dağıtım şebekelerinin korunması için bu yöntem yeterli olmayabilir.
Aşırı akım korumasının yeterli olmadığı durumlar için adaptif koruma sistemleri geliştirilmiştir. Bu koruma anlayışına göre aktif dağıtım şebekelerinin değişken yapısına uyum sağlamak için koruma rölelerinin ayar değerleri şebekenin konfigürasyonuna uygun olarak değiştirilir. Adaptif koruma sistemleri haberleşmeli veya haberleşmesiz olarak kullanılabilmektedir. Haberleşmeli adaptif dağıtım sistemlerindeki röleler iletişim halindedir ve şebeke konfigürasyonunda meydana gelen değişiklikleri birbirlerine iletirler. Adaptif koruma sistemleri aşırı akım korumasına göre daha seçici ve hızlı bir koruma imkânı sağlasa da çok sayıda farklı senaryonun hesaba katılarak ayarlanmaları gerekmektedir. Korunacak dağıtım sisteminin boyutları büyüdükçe koruma sistemi de kompleks hale gelir. Bu durumda, korumanın koordinasyonunun sağlanması için farklı koruma şemalarına ve mekanizmalarına ihtiyaç duyulur.
Ünite koruma sistemleri her bir şebeke ekipmanının uçlarından alınan ölçüm verilerinin karşılaştırılmasına dayalı bir koruma sistemidir ve adaptif korumanın karmaşık yapısına ihtiyaç duymaz. Ünite koruma sistemlerinde her bir ekipman ayrı bir koruma bölgesi olarak nitelendirilir ve ölçüm verilerine dayalı olarak arızanın varlığının ve bölgesinin belirlenmesi beklenir. Bu koruma yöntemi, korunan bölgenin birden fazla noktasından verileri toplayarak karşılaştırdığı için seçici ve hızlı bir koruma sağlayabilmektedir.
Entegre koruma sistemleri, her bir baraya ait korumanın ilgili baradan ve baraya ait hatlardan alınan ölçüm verilerini bir koruma rölesinde veya röle sisteminde toplayarak arızaların tespit edilmesini hedefler. Bu sayede barada gerçekleşen bir arıza hızlı bir şekilde ölçüm verilerinin karşılaştırılmasıyla tespit edilebilirken, hatta veya daha uzak bir bölgede gerçekleşen arızalar da farklı baralardaki entegre koruma rölelerinin birbirleriyle haberleşmesi sayesinde belirlenebilir.
Adaptif koruma, ünite koruma, entegre koruma gibi yaklaşımlarda koruma işlevleri gerçekleştirilirken haberleşme aracılığıyla verilerin bara içinde veya baralar arasında transfer edilmesi gerekebilmektedir. Bu durumda, güç sistemlerinde kullanılmakta olan en güncel standart olan IEC 61850 haberleşme standardının kullanılması yerinde olur. Bu standart, hızlı ve senkronize bir haberleşme sağlamanın yanı sıra güç sistemlerinde koruma ve kontrol fonksiyonlarının yerine getirilebilmesi için bir platform oluşturma özelliğini taşımaktadır.
Elektrik şebekelerinden meydana gelen arızaların önemli bir kısmını asimetrik arızalar oluşturmaktadır, dengeli arızaların toplam arızalar içindeki payı çok azdır. Asimetrik arızalar, aşırı akım koruması gibi geleneksel koruma yöntemleri ile genellikle tespit edilebilmektedir. Ancak, asimetrik arızaların daha etkili bir biçimde tespit edilebilmesi için çeşitli özelleşmiş yöntemler de geliştirilmiştir. Bu koruma yaklaşımları simetrili bileşenler yöntemi sonucunda elde edilen bileşenleri kullanarak arızayı tespit etmeyi hedefler. Bu sayede, geleneksel yöntemlere nazaran daha hassas bir biçimde dengesiz arızalar tespit edilebilmektedir.
Bu çalışmanın amacı, aktif dağıtım şebekelerinde gerçekleşebilecek asimetrik arızalara karşı koruma sağlayan, ünite ve entegre koruma özelliklerine sahip, haberleşmeyi etkin bir şekilde kullanan yeni bir koruma yöntemi geliştirmektir. Bu koruma yönteminde entegre koruma sistemlerinin yapısına uygun olarak her baradan sorumlu bir röle bulunmaktadır, bara ve hat arızalarının tespiti bu entegre rölelerin haberleşmesi ile sağlanır. Yeni koruma sisteminde arıza ve arıza bölgesi tespiti, korunan ekipmanın (hat veya bara) bütün çıkşlarından alınan verilerin karşılaştırılması sonucu gerçekleşir. Böylece, hem ünite hem de entegre korumanın özelliklerini taşır.
Yeni koruma yöntemi, asimetrik arızaların tespiti için simetrili bileşenler yöntemi sonucunda elde edilen gerilim ve akım bileşenlerini kullanır. Bu bileşenler yardımıyla hesaplanan dengesiz güç faktörünün korunan bölgedeki temel güce olan yüzdesel oranı oransal dengesiz güç faktörünü verir. Şebekeden ölçülen verilerle hesaplanan oransal dengesiz güç faktörü belli bir eşik değerin üstüne çıktığında arızanın varlığı belirlenmiş olur. Asimetrik arızalar, dengesiz bir reaktif güç kaynağı karakteristiğine sahiptir. Bu sayede, reaktif gücün negatif bileşeninin yönü takip edilerek arızanın bölgesi belirlenebilir.
Yeni koruma yöntemine göre bir baraya bağlı bütün hatlardan alınan akım verileri ve baranın gerilim verisi ile her hat için oransal dengesiz güç faktörü hesaplanır. Herhangi bir hat için bu değer, ayar değerinin üstüne çıkarsa arıza tespit edilmiş olur. Arıza bölgesinin tespiti için reaktif gücün negatif bileşeninin yönü incelenir. Eğer, bu yön bütün hatlar için baradan hatlara doğru ise arıza barada gerçekleşmiş demektir. Eğer herhangi bir hat için bu yönün hattan baraya doğru olduğu tespit edilmişse arıza o doğrultuda gerçekleşmiştir. Arızanın korunan hatta gerçekleşip gerşekleşmediğinin belirlenmesi için hattın diğer ucundaki entegre koruma rölesi ile iletişime geçilir. Eğer her iki röle de arızanın aynı hatta meydana geldiğini tespit etmişse ilgili hatta asimetrik arıza tespit edilir. Farklı bir durum söz konusuysa arızanın koruma bölgeleri dışında daha uzak bir bölgede meydana geldiği anlaşılır ve yedek koruma devreye girer.
Önerilen koruma yönteminde yedek koruma, arızanın birincil koruma bölgesinin dışında gerçekleştiği durumlarda ve/veya arızanın birincil koruma ile giderilemediği durumlarda devreye girer. Yedek koruma yönteminde, arızanın tespit edilmesinden sonra belirli bir zaman gecikmesi ile koruma devreye girer. Bu zaman gecikmesinin hesaplanması için standart ters zaman koruma fonksiyonları kullanılır. Koordinasyon için bu fonksiyonun zaman çarpanı kullanılarak zaman gecikmesi değiştirilebilir.
Yeni koruma yönteminin performansının gözlemlenebilmesi için örnek bir aktif dağıtım şebekesi oluşturulmuş ve bilgisayar ortamına aktarılmıştır. Bilgisayarlı simülasyon çalışmaları için MATLAB ve Simulink uygulamaları kullanılmıştır. Örnek aktif dağıtım şebekesinin bilgisayar ortamına aktarılmasının ardından yeni koruma yönteminin uygulanması için gerekli elemanlar da bu ortam üzerinde tasarlanmıştır.
Yeni koruma sistemi için gerçekleştirilen performans analizi çalışmalarında örnek aktif dağıtım şebekesindeki bara ve hatlarda tek faz toprak ve faz faz arızaları ile hat iletkeninin kopması durumları incelenmiştir. İncelenen farklı arızalara ilişkin elde edilen verilen grafikler ile paylaşılmıştır. Bu analizin sonucunda, birincil koruma algoritması bara ve hatlarda meydana gelen asimetrik arızaları ve arıza bölgelerini doğru bir şekilde tespit etmeyi başarmıştır. Birincil koruma algoritması hız ve seçicilik açısından başarılı bir performans seriglemiştir. Yedek koruma algoritması da benzer şekilde arızaları ve arızaların doğrultusunu tespit etmeyi başarmıştır. Ancak, ünite koruma özelliği göstermemesi sebebiyle her durumda tam bir seçicilik sağlanması mümkün olmayacaktır.
Bu çalışma kapsamında önerilen koruma yöntemi performans testlerinde beklenen başarıyı elde etmesine rağmen halen gelişmeye açık bir koruma yöntemidir. Örneğin, yeni koruma yönteminin arıza tespitinde kullanılan oransal dengesiz güç faktörünün hesaplanması için kullanılan temel güç ifadesi daha detaylı olarak belirlenebilir. Şehir şebekesinin ve dağıtık üretim tesislerinin arıza katkısı koruma bölgesine göre dinamik olarak hesaplanarak göz önünde bulundurulabilir. Yeni koruma yönteminde yedek korumayı geliştirmek amacıyla da farklı yaklaşımlardan faydalanmak mümkündür. Adaptif koruma yaklaşımının sağladığı avantajlar yeni koruma rölesinin yedek koruma algoritması üzerinde de uygulanabilir haldedir.
Sonuç olarak, bu çalışmada önerilen koruma yöntemi asimetrik arızaların ve arıza bölgesinin tespitinde geleneksel yöntemlere kıyasla daha etkin bir yöntem olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca, arıza tespitinde kullanılan dengesiz güç faktörü ile arıza bölgesinin belirlenmesinde kullanılan reaktif gücün negatif bileşeni kavramları şebekedeki dengesiz güç akışının analiz edilmesinde önemli rol oynayan kavramlardır ve farklı çalışmalara uygun bir başlangıç noktası sağlayabilecek niteliktedirler.

Abstract:
Throughout history, the primary purpose of electrical systems has been the transfer of electrical energy from sources to various loads. These systems typically comprise three key components: generation, transmission, and distribution. The generation aspect involves generators and power plants, while transmission aspect involves the transmission lines connecting to large-scale industrial loads. On the distribution side, electrical energy is distributed to both households and industrial loads. For many years, electrical systems operated under a structure characterized by a radial and uni-directional power flow extending from generation to distribution and finally reaching the end user. However, recent years have witnessed a transformation in this structure, driven by advancements in information and communication technology.
In contemporary electricity networks, the prevalence of distribution networks capable of providing production from the distribution side has significantly increased. These networks, known as active distribution networks, contain distributed generation facilities, renewable energy sources, power electronic circuits, energy storage units, and smart electronic devices.
In active distribution networks, the inclusion of distributed generation facilities and energy storage devices introduces a structure that allows for bi-directional power flow, in contrast to the traditional uni-directional power flow observed in radial networks extending from source to load. Additionally, the generation of power fluctuates due to the impact of environmental factors on renewable power sources. While the capability to generate power from diverse locations is advantageous, it concurrently complicates the operation of the distribution network. To address this complexity, novel methods have been devised for the operation, protection, and control of active distribution networks, leveraging advancements in newly developed technologies.
The fundamental technique applied for protection distribution networks is overcurrent protection. Although originally designed for the protection of radial systems, its directional functionality also renders it applicable to protection of ring-type networks. Nevertheless, this method may prove inadequate for ensuring the protection of active distribution networks characterized by variable and bi-directional power flows.
To address situations where overcurrent protection proves insufficient, adaptive protection systems have been developed for electrical systems. Under this protection concept, the setting values of protection relays are dynamically adjusted to align with the network configuration, accommodating the variable nature of active distribution networks. Adaptive protection systems can be implemented with or without communication. In distribution systems featuring communication, relays are in continuous communication, sharing updates on network configuration changes. While adaptive protection systems offer enhanced selectivity and faster protection compared to overcurrent protection, their effectiveness hinges on meticulous adjustments that account for various scenarios. As the size of the distribution system requiring protection grows, the protective system concurrently becomes more intricate. Consequently, diverse protection schemes and mechanisms become imperative to ensure effective coordination of protection.
Unit protection systems operate by comparing measurement data gathered from the terminals of individual network equipment, eliminating the need for the complex structure associated with adaptive protection. In unit protection systems, each piece of equipment is defined as a distinct protection zone. The detection of faults and identification of their locations rely on the analysis of measurement data. This protection methodology ensures selectivity and expeditious response, as it compares data from multiple points within the protected area.
Integrated protection systems aim to identify faults by consolidating measurement data acquired from the related buses and associated lines, forwarding this data to a protection relay or relay system. This approach enables the swift detection of faults on buses by comparing measurement data. Simultaneously, faults occued along the line or in remote areas can be pinpointed through the communication of integrated protection relays located on different buses.
During the execution of protection functions in methodologies like adaptive protection, unit protection, and integrated protection, there might be a necessity to transmit measurement data within a bus or across buses through communication. In such instances, it is advisable to employ the IEC 61850 communication standard, the most contemporary standard utilized in power systems. This standard not only facilitates rapid and synchronized communication but also offers a platform for executing protection and control functions within power systems.
A significant proportion of faults in electrical networks are asymmetric, whereas the occurrence of balanced faults constitutes a minimal percentage of the total. Traditional protection methods, like overcurrent protection, are generally sufficient at identifying asymmetric faults. Nevertheless, more specialized techniques have been devised to enhance the effectiveness of asymmetric fault detection. These protection strategies focus on fault detection by using components derived from the symmetrical components method. This allows for the quicker and more sensitive identification of unbalanced faults compared to conventional methods.
The objective of this research is to develop an innovative protection method capable of protection against asymmetric faults in active distribution networks. This method integrates unit and integrated protection features while using communication effectively. In this approach, each bus is assigned to a dedicated relay, aligning with the structure typical of integrated protection systems. Fault detection for both buses and lines is facilitated through the communication network established among these integrated relays. Within this novel protection system, the identification of fault and the determination of fault zones are achieved by comparing data received from all outputs of the protected equipment, a line or a busbar. Consequently, the system exhibits characteristics encompassing both unit and integrated protection.
The novel protection method utilizes voltage and current components derived from the symmetrical components method to identify asymmetric faults. The unbalanced power factor is subsequently computed based on these components. By calculating the percentage ratio of the unbalanced power factor to the base power within the protected area, a proportional unbalanced power factor is obtained. When this value, derived from the measured network data, surpasses a predefined threshold, the presence of a fault is established. Asymmetric faults are characterized by an unbalanced reactive power supply. In this way, the fault location can be ascertained by monitoring the direction of the negative component of reactive power.
As per the novel protection method, the proportional unbalanced power factor is calculated individually for each line. This involves using current data from all lines connected to a bus and voltage data from the respective bus. Should this calculated value surpass the predetermined threshold for any line, a fault is detected. To determine the fault area, examination of the direction of the negative component of reactive power is required. If the determined direction is from the bus to the lines across all lines, it signifies a fault in the bus. Conversely, if the direction from the line to the bus is identified for any specific line, the fault occurred in the direction of that line. To ascertain whether the fault occured on the protected line, communication is established with the integrated protection relay at the opposing end of the line. Detection of an asymmetric fault on the relevant line is confirmed if both relays independently recognize the fault on that line. In the event that neither relay detects a fault on the same line, it is inferred that the fault occurred in a remote area beyond the protection zones, thereby backup protection is activated.
In the proposed protection method, backup protection comes into play when a fault occured outside the primary protection zone or when the primary protection fails to address the fault. Within the backup protection method, protection is activated after a specific time delay following fault detection. Standard inverse time protection functions are used to calculate this time delay, with the option to adjust the delay using the time multiplier function for protection coordination.
To assess the performance of the proposed protection method, a representative active distribution network was formulated and simulated in a computer environment. MATLAB and Simulink applications were used for conducting computer simulation studies. Subsequently, upon the transfer of the sample active distribution network to the computer environment, the essential components for implementing the new protection method were designed within this environment.
In the performance analysis conducted for the novel protection system, various scenarios were examined, including single-phase to ground and phase-to-phase faults, as well as a broken line conductor case, for both buses and lines within the sample active distribution network. The results obtained from the analysis of diverse faults are presented graphically. The outcomes of this analysis reveal that the primary protection algorithm adeptly identified asymmetric faults and determined fault zones accurately for both bus and line faults. The primary protection algorithm exhibited commendable performance in terms of both speed and selectivity. The backup protection algorithm also successfully detected faults and determined their directions. However, due to the absence of a unit protection feature in the backup protection, complete selectivity across all cases may not be achievable.
While the protection method proposed in this study demonstrated the anticipated success in performance tests, it remains susceptible to refinement. For instance, the formulation of the base power expression, used in calculating the proportional unbalanced power factor for fault detection, could be more meticulously defined. Consideration of the fault contributions from both the utility grid and distributed generation facilities could be incorporated, varying according to the protection zone.
Furthermore, enhancements to the backup protection method are feasible within the new protection approach. Different strategies can be explored to improve backup protection, and insights from the adaptive protection approach can be leveraged to enhance the backup protection algorithm of the new protection relay.
In conclusion, the protection method proposed in this study has demonstrated superior effectiveness in detecting asymmetric faults and identifying fault areas when compared to conventional methods. Moreover, the utilization of concepts such as the unbalanced power factor for fault detection and the negative component of reactive power for determining the fault area is pivotal in analyzing the unbalanced power flow within the network. These concepts serve as a valuable foundation, offering a convenient starting point for further explorations and studies in this field.