Elektrik güç sistemi koruma analizinde petri ağları kullanımı ve uygulamaları
Usage and applications of petri nets in electric power system protection analysis
Yazar: NİHAT PAMUK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. YILMAZ UYAROĞLU
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Güç sistemleri = Power systems

Özet:
Ülkemizdeki elektrik enerjisi ihtiyacı, sanayi, teknoloji alanındaki gelişmeler ve artan nüfus ile her geçen gün hızla artmaktadır. Bu nedenle elektrik enerjisinin üretilmesinden, şehirlere iletilmesine kadar olan süreçte sürekliliğin sağlanması çok önemlidir. Güç sistemin en önemli parçaları; enerji iletim hatları, baralar ve trafolardır. Bu parçalarda oluşacak olan arızalara en kısa zamanda müdahale edilmesi, sistemin verimi açısından büyük önem taşımaktadır. Bu amaçla arıza esnasında değişen sistem parametrelerini anında tespit eden ve arızalı bölümü sistemden izole eden çeşitli koruma tertipleri geliştirilmiştir. Grafiksel doğası, statik ve dinamik sistem karakteristiklerini ve sistem belirsizliğini tanımlayabilme yeteneği ve matematiksel teknikler içermesinden dolayı, petri ağları güçlü bir araç olarak güç sistemlerinin modellenmesi ve analizi için uygun bir kavramsal altyapı oluşturmaktadır. Grafiksel ve matematiksel bir araç olarak petri ağları, zaman uyumlu, paralel, eşzamanlı, dağıtık, kaynak paylaşımlı, deterministik olmayan ve stokastik olarak karakterize edilebilen karmaşık sistemlerin modellenmesi ve analizi için kullanılabilmektedir. Bu çeşit karmaşık sistemler diferansiyel denklemler, fark denklemleri gibi geleneksel araçlar kullanılarak matematiksel olarak tanımlamanın zor olduğu karakteristik özellikler göstermektedirler. Petri ağları matematiksel bir araç olarak sistem davranışını tanımlayan durum denklemlerinin elde edilmesine, cebirsel sonuçlar bulunmasına ve diğer matematiksel araçlar geliştirilmesine imkân vermektedirler. Blok diyagramları veya mantıksal ağaçlar gibi diğer grafiksel sistem temsil tekniklerine göre, petri ağları bir sistemdeki parçalar ve faaliyetler arasındaki mantıksal etkileşimleri daha doğal bir yolla ifade etmek için özellikle daha uygundurlar. Modelleme açısından bakıldığında, petri ağ teorisi hem etkinlik hem de verimlilik analizi için uygun modeller oluşturulmasına izin vermektedir.Sistemdeki birden fazla arıza durumunda koruma elemanlarının yanlış açmaları, rölelerin arıza bölgesini tespit etme görevini zorlaştırmaktadır. Bu çalışmada, güç sistemlerinde oluşan arıza yerlerinin önceden tespit edilmesi ve bu sorunun çözülmesi amacıyla matematiksel bir model geliştirilmiştir. Benzetim aşamasında sezgisel yöntemlerden daha başarılı sonuç veren Bulanık Petri Ağları kullanılmıştır. İşlemsel ve kontrol karakteristikleri açısından birbirinden farklı yapılara sahip güç sistemleri ele alınmış, arıza esnasında personel müdahalesinin en aza indirgenmesi amaçlanmıştır. Benzetim aşamasında PIPE2 yazılımı kullanılarak Kuzeybatı Anadolu şebekesine ait 14 baralı güç sisteminde arıza olma ihtimali yüksek olan yerlerin doğruluk derecesi değerleri elde edilmiştir. 14 baralı güç sisteminde çeşitli arıza durumları için sistem benzetimleri gerçekleştirilmiş, her arıza için sistem davranışı ve koruma elemanlarının doğruluk derecesi değerleri hesaplanmıştır. Oluşturulan yeni Bulanık Petri Ağı yaklaşımı yöntemiyle, arıza yerinin tespitinde kısıt ve amaç fonksiyonu dönüşümlerinde destek hiperdüzlemlerine yaklaşma yerine bulanık yaklaşımlar üzerinde durulmuştur. Doğruluk derecesi değerleri kesici ve koruma rölelerinin kesin olmayan ve tamamlanmamış alarm bilgilerine göre elde edilmiştir. Doğruluk derecesi değerleri kullanılarak en fazla doğrulukta arıza bölgesi tespit etme işlemi gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
The electrical energy demand of our country is rising very fast day by day due to the developments in industry, technology and growing population. Therefore it is very important to sustain continuity within the process beginning with electrical power generation until its transmission to urban areas. Energy transmission lines, transformers and buses are the most important part of the power system. Interfering to an occurred fault in the shortest time is very important for the system efficiency. For this purpose, different protection equipments is developed which detect changing system parameters and isolate broken down part from system during the fault condition. Due to its graphical nature, ability to describe static and dynamic system characteristics and system uncertainty, and the presence of mathematical analysis techniques, Petri nets as a powerful tool, form an appropriate conceptual infrastructure for the modeling and analysis of power systems. Petri nets as a graphical and mathematical tool can be used for modeling and analyzing complex systems which can be characterized as synchronous, parallel, simultaneous, distributed, resource sharing, nondeterministic and stochastic. These types of complex systems exhibit characteristics which are difficult to describe mathematically using conventional tools like differential equations, difference equations. Petri nets as a mathematical tool provide obtaining state equations describing system behavior, finding algebraic results and developing other mathematical models. With respect to other techniques of graphical system representations like block diagrams or logical trees, Petri nets are particularly more suitable to represent in a natural way logical interactions among parts or activities in a system. In modeling point of view, Petri net theory allows the construction of the models amenable both for the effectiveness and efficiency analysis.The task of fault location determination is difficult for relays when multiple faults, failures of protection elements, and false data are involved. In this study, a mathematical model is improved in order to solve this problem and to predetermine failure locations in power systems. Fuzzy Petri Nets which produce more successful results than heuristic methods are used during simulation. Power systems with different structures are discussed in terms of operational and control characteristics. It is aimed to minimize the staff intervention during fault. Truth degree values of high probability of failure locations are obtained in the 14 buses power system which belongs to Northwestern Anatolia network using PIPE2 software during simulation. Simulation of the system for various fault cases have been realized in 14 buses power system. Behavior of the system for each fault and the truth degree values of the protection elements have been calculated. For the determination of fault locations with the improved new Fuzzy Petri Nets approach method, in transformations of constraint and objective functions, instead of approaching support hyper-planes fuzzy approaches are emphasized. Truth degree values have been obtained according to incomplete information from circuit breakers and uncertain alarm information from protective relays. Using truth degree values, the most accurate fault location determinations are accomplished.