Dağıtım şebekelerinde aşırı akım rölesi ile adaptif koruma
Adaptive protection using overcurrent relay in distribution grids
Yazar: HAKAN VAR
Danışman: PROF. DR. BELGİN TÜRKAY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Çevreyi koruma bilincinin artması, yenilenebilir enerji kaynaklarına ulaşımın kolaylaşması, elektrik fiyatlarının artması bireyleri ve şirketleri kendi enerjisini üretmek istemesidir. Tüm bu etkenler mikro şebekelerin kurulumunu ortaya çıkarmıştır.
Mikro şebekeler bölgesel olarak içerdikleri enerji kaynakları ile bölgedeki yükleri beslerler. Bu enerji kaynakları biyogaz, mikro hidroelektrik, güneş santrali, rüzgâr türbinleri, gaz türbinleri, batarya teknolojisi, jeotermal enerji gibi birimlerden oluşmaktadır.
Mikro şebeke teknolojisi, mikro şebeke otomasyonu sayesinde ana şebekeye bağlı veya temel şebekeden bağımsız olarak çalışabilmektedirler. Mikro şebekeler arz/talep dengesi gözetiminde temel şebekeye enerji verebilir ya da ana şebekeden enerji alabilmektedir. Ayrıca bir arıza durumunda temel şebeke bağlantısı kesilerek frekans ve gerilim değişimlerinin önüne geçilebilmektedir.
Mikro şebekeler hava koşullarından etkilenen rüzgâr türbinleri, güneş santralleri gibi yenilenebilir enerji kaynaklarına sahip olduğundan ve hem temel şebekeye bağlı hem de güç adası biçiminde çalıştırdıklarından dolayı değişken güç akışına sahiptir. Bu durum mikro şebekelerin kontrolü ve korumasını zorlaştırmaktadır.
Geleneksel aşırı akım röleleri birçok sistemi başarıyla koruyabilmektedir. Akım genliği arızanın tespiti için akım yön bilgisi ise arızanın koruma bölgesinde olup olmadığını tespit etmek için kullanılır. Sistemdeki ardışık rölelerin koordinasyonu için röleler arasında zaman aralıkları olmalıdır. Bu zaman aralıkları röle ayar parametrelerinden röle ayarında izin verilen maksimum akım (Is) ve zaman ayar çarpanı (TMS) değerlerine bağlıdır. Bu röleler merkezle ve birbirleri ile haberleşmedikleri için Is ve TMS değerlerini tekrar değiştirmek için manuel bir işlem yapmak gerekir. Özellikle mikro şebekelerin bulunduğu sistemlerde görülen şebeke yük akışının değerinin ve yönünün değiştiği durumda geleneksel rölelerin kullanımı güçleşmektedir.
Geleneksel aşırı akım rölelerinin aksine, adaptif aşırı akım röleleri şebekedeki akım bilgileri ve kesici durumlarını kontrol eder. Herhangi bir değişiklik saptanmış ise röle parametreleri olan Is ve TMS değerlerini tekrar hesaplayarak yeni değerlere göre devreye girer. Bu durum yük akışının sıklıkla değiştiği sistemlerde adaptif aşırı akım rölelerinin kullanımının avantajını ortaya çıkarmaktadır.
Adaptif aşırı akım rölesinin parametrelerinin değişime bağlı olarak ayarlanabilmesi için rölelerin bir ana merkezle haberleşmesi gerekmektedir. Yeni güç akış değerlerine entegre olması için bu haberleşmenin hızlı ve güvenilir olması gerekmektedir. Haberleşme hattının da olduğu bir otomasyon sistemi kurulduktan sonra adaptif aşırı akım rölesiyle sistemi koruma daha güvenilir, hızlı ve kolay olmaktadır.
Geleneksel yöntem ile koruma ve adaptif koruma arasında karşılaştırma yapabilmek için örnek bir mikro şebeke sistemi modellenmiş ve her iki koruma modeli bu şebeke sistemine uygulanmıştır. Modellenen mikro şebeke hem ana şebekeye bağlı hem de ada durumunda çalışabilmektedir. Mikro şebeke güneş santrali, rüzgâr türbini ve çeşitli yüklerden oluşmaktadır.
Modellenen sisteme temel şebeke, yenilenebilir sistemler ve yükler bağlanarak koruma sistemlerinin ilk ayarları belirlenmiştir. Bu ayarlar geleneksel koruma sisteminin ayarları olup her durum için sabittir. Adaptif koruma sisteminin ayarları ise değişen yük akışına göre belirlenen algoritma ile duruma göre otomatik değişmesi sağlanmıştır.
Karşılaştırma yapabilmek için normal çalışma, bir kısım yüklerin devreden çıkması ve güç adası olmak üzere üç farklı senaryo belirlenmiştir. Bütün senaryolar için 3-faz, faz-faz, faz-faz-toprak ve tek faz-toprak arızaları gerçekleştirilmiştir.
Geleneksel korumadaki yönlü aşırı akım röleleri hatta yedek koruma yapan diğer rölelerden daha önce kesicilere açma sinyali göndermelidir. Hatalı açmayı önlemek için birinci koruma ve yedek koruma arasına 300-350 ms bir gecikme belirlenmiştir.
Tüm çalışma durumlarında geleneksel ve adaptif koruma röleleri başarılı olmuştur. Fakat sistemde değişiklik meydana geldiğinde adaptif aşırı akım rölelerinin kesiciye açma sinyali yollayıp arızaya daha hızlı müdahale ettiği görülmüştür. Bu durum mikro şebekelerde adaptif korumanın geleneksel yöntemlere kıyasla daha başarılı olduğunu göstermektedir.

Abstract:
Individuals and corporates aim to produce energy that they need because of broad-range awareness of environment, easy access to renewable energy sources and high electricity costs. All of these cases trigger micro grids
Micro grid produces energy as well as utility grids and they feed close loads. However, loads of micro grid are smaller than utility grid's and micro grid includes several energy sources. These energy sources are biogas, micro hydroelectric, solar power, wind turbines, gas turbines, battery technology, and geothermal energy and so on.
Micro grids not only serve as connected to utility grid but also independently thanks to micro grid automation. It is able to operate as producer or load considering demand-supply balance. In case of break-down, micro grid may disconnect with utility grid in order to prevent voltage/frequency fluctuations.
Micro grids are affected by energy sources which depend on weather conditions such as wind turbines and solar power. It has different modes due to both connected and independent operation. Thus, micro grid has varying power flow and accordingly has difficulty on control and protection.
Traditional over-current relays successfully protect many systems. Magnitude of current tells absence of fault. Current direction detects whether fault is in protection area or not. There must be time lag among sequential protection relays for coordination. Adjusting of time lag depends on relay parameters called Is and TMS. Protection relays do not communicate center relay coordination center and each other. Hence, Is and TMS parameters should be manually adjust. It is hard to use traditional relays due to varying power flow, especially in systems including micro grids.
In contrast to traditional over-current relays, adaptive replays check currents in grid and status of circuit breakers. In case of detecting change, adaptive relays re-calculate Is and TMS and operate according to new values. Therefore, adaptive relays have an advantage on grids or systems which have frequently varying power flow.
Adaptive over-current relays should communicate with coordination center to adjust values depending on varying parameters. Communication should be fast and reliable in order to that relays adapt new power flow values. Automation with communication line enables adaptive over-current relays to protect securely, quickly and easily system.
Exemplary micro grid is modeled to compare traditional method and adaptive protection. Both protections are applied on the model. Modeled micro grid is able to operate as connected to utility grid and as island. Modeled micro grid is based on solar power, wind turbines and several loads.
Utility grid, renewable systems and loads are connected to model. Thus, primary setting of protection system is defined. Primary setting belongs to traditional protection system and it is constant for every case. Adaptive protection setting is automatically controlled by an algorithm designed for varying power flow.
Three scenarios are designed for comparison: Normal operation, excluding some portion of loads and island operation. 3-phase, phase-to-phase, 2-phase-to-earth, phase-to-earth faults are simulated for all scenarios.
In a traditional protection system, trigger signal should be sent firstly circuit breakers before than over-current relays and redundant protection relays. Time lag as 300-350 ms is adjusted between first protection relay and redundant protection relay in order to prevent faulty break.
Both traditional and adaptive relays are successful in each case. But, it is observed that adaptive over-current relay quickly interferes by sending signal to circuit breaker comparing to traditional relays. It concludes that adaptive relays are more successful than traditional methods in micro grids.