Mikroşebekelerin merkezi adaptif koruma yöntemiyle korunması
Protection of microgrids with central adaptive protection method
Yazar: SENA ŞAHKULUBEY
Danışman: PROF. DR. ÖMER USTA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Günümüzde yenilenebilir enerji kaynaklarının daha yaygın kullanılmaya başlanmasıyla tüketiciler, kendi elektrik enerjilerini üretip tüketme olanağına sahip olmuşlardır.  Yenilenebilir enerji kaynaklarından elektrik enerjisi üretimi ile, üretim tesislerinden uzakta olan bölgelere elektrik enerjisinin iletiminde ve dağıtımında yaşanan sistem kayıpları da ortadan kalkmıştır. 
Üretilen elektrik enerjisinin iletim hatları ile merkezlerden uzak bölgelere erişiminin zor olması ve orta gerilimden yüksek gerilime, yüksek gerilimden orta ve alçak gerilime düşürülerek tüketicilere ulaşana kadar geçirdiği aşamalarda ortaya çıkabilecek zorluklar ve kayıplar küçük boyutlu şebekelerin kurulmasını kaçınılmaz hale getirmiştir. Bu ana nedenler kendi elektrik enerjisini üretebilen ve tüketebilen, kırsal bölgelere iletim ve dağıtım aşamasında sistem kayıpları olmadan daha verimli elektrik enerjisi sağlayan mikroşebeke kavramının ortaya çıkmasına yol açmıştır.
Mikroşebekeler, dağıtılmış enerji kaynaklarından, enerji depolama birimlerinden ve kontrol edilebilir yüklerden oluşan, yenilenebilir enerji kaynakları ile klasik enerji üretim santrallerinin entegrasyonu sonucunda oluşan akıllı şebeke uygulaması olarak da adlandırılan hibrit yapılardır. 
Mikroşebekeler, hem şebekeye bağlı hem şebekeden bağımsız çalışabilme yeteneğine sahip, dağıtılmış üretim kaynaklarından üretilen elektrik enerjisini yüklere iletebilen sistemlerdir. Şebekeye bağlı çalışma durumunda mikroşebeke, üretilen enerjiyi şebeke ile paralel çalışarak yüklere iletir, eğer dağıtılmış üretim kaynaklarında üretilen enerji mikroşebekenin beslediği yüklere yetmiyorsa; bu durumda yükler ana şebekeden beslenirler. Herhangi bir arıza durumunda veya kasıtlı olarak, mikroşebeke şebekeden bağımsız çalışma moduna geçebilir. 
Mikroşebekelerde bulunan dağıtılmış üretim kaynakları; güneş panelleri, rüzgar türbinleri, kombine ısı ve güç santralleri, gaz türbinleri, hidro enerji, yakıt hücreleri gibi yenilenebilir enerji kaynaklarıdır. 
Bir güç sisteminde, en kritik yönlerden biri güç korumasıdır. Güç koruması, kısa devre veya herhangi bir elektrik arızası durumunda, sistem bileşenlerinin zarar görmemesi ve sistemin mümkün olduğunca az parçalara ayrılmasını sağlamak için koruyucu cihazların kullanılmasını gerektirir. Mikroşebekelerin yenilenebilir enerji kaynaklarının doğa olayları vb. sebeplerle değişken güç üretmeleri, birden fazla üretim kaynağı nedeniyle çift yönlü güç akışına sahip olmaları nedeniyle ve şebekeden bağımsız otonom modda çalışmaları durumunda sistemin düzgün çalışmasını sağlamak için koruma ve kontrol sistemine ihtiyaç duyulmaktadır. Değişken sistemlerin koruma ve kontrolünün sağlanması için uygulanan koruma sistemi de değişimlere ayak uydurabilecek özelliğe sahip olmalıdır. Mikroşebekelerdeki değişken şartlara uyum sağlayabilen(adaptif) bir koruma sisteminin uygulanması ile korumanın güvenilirliği de artacaktır.
Adaptif koruma sistemlerinde, koruma rölesi sistem koşullarındaki değişiklikleri tespit ettikten sonra koruma ayar parametrelerini değiştirebilme yeteneğine sahiptir. Bu sayede, adaptif koruma sistemi sistemde meydana gelebilecek tüm çalışma senaryolarına uyum sağlayarak sistemin hatalı çalışma ihtimalini en aza indirebilmektedir. Bundan dolayı, adaptif koruma sistemleri klasik koruma sistemleri ile karşılaştırıldığında sistem için daha güvenilir ve seçici koruma sağlamaktadır. Bu sebeple kendi elektriğini üreten işletmeler ve elektrik dağıtım firmalarının günümüzde klasik koruma sistemleri yerine adaptif koruma sistemlerini tercih etmeleri kaçınılmaz hale gelmiştir.
Bu çalışmada mikroşebekelerin merkezi adaptif koruma yöntemi ile korunması ele alınmıştır. Merkezi adaptif koruma sistemlerinde röleler bir ana merkezle haberleşerek mikroşebekenin çalışma durumundaki değişiklikler sonrasında ayar parametrelerini güncellemektedirler.  Merkezi adaptif koruma sistemi ile röleler kendi aralarında ve ana merkezle haberleşerek daha hızlı ve güvenilir koruma sunmaktadırlar.
Merkezi adaptif koruma sistemi oluşturulurken şebekede bulunan kesicilerin açık(=0) veya kapalı(=1) olma durumlarına göre oluşabilecek tüm çalışma durumları incelenmiştir. Merkezi adaptif koruma yöntemine göre; şebekede bulunan kesici sayısı n ise şebekenin çalışma senaryosu sayısı 2n'dir. Bu çalışmada tasarlanan mikroşebekede 9 adet kesici bulunmaktadır. Merkezi adaptif koruma yöntemine göre çalışma senaryosu sayısı 29 olmalıdır. Ancak, çalışma senaryoları incelendiğinde bazı durumların aynı olduğu görülmüştür. Modellenen mikroşebeke için kesicilerin açık veya kapalı olma durumlarına göre yedi farklı çalışma durumu belirlenmiştir. Bu durumlar normal çalışma, ada modunda çalışma ve dağıtılmış üretim kaynaklarının devreden çıkarılması durumları olarak oluşturulmuştur. 
Matlab/Simulink yazılımı ortamında bir mikroşebeke sistemi oluşturulmuştur. Çalışma senaryolarına göre baralarda ve hatlarda üç faz ve faz-faz arızaları gerçekleştirilmiştir. Böylece baralarda ve hatlarda maximum ve minimum arıza akım tepe değerleri tespit edilmiştir. Ayrıca normal çalışma durumlarında hattan ve baralardan geçen akım tepe değerleri de gözlemlenmiştir. Elde edilen tüm verilere göre sistem koruması için rölelerin akım ayar değerleri belirlenmiştir. 
Belirlenmiş olan akım ayar değerleri ile mikroşebekenin adaptif koruması için Matlab/Simulink ortamında röleler tasarlanmıştır. Mikroşebekenin arızalara karşı korunması amacıyla 3 adet bara ve 2 adet hattın koruması için röle tasarımı yapılmıştır. Yani, sistem koruması için toplam 5 adet röle tasarımı yapılmıştır. Röleler baralarda ve hatlarda arıza gerçekleşmesi durumunda baraların ve hatların etrafında bulunan bütün kesicilere açma sinyali göndererek sistemin arızalardan korunmasını sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. 
Tasarlanan rölelerin doğru bir şekilde çalışıp çalışmadığı Matlab/Simulink ortamında baralarda ve hatlarda arızalar gerçekleştirilerek test edilmiştir. Yapılan deneyler sonucunda baralarda ve hatlarda arıza olması durumunda rölelerin baraların ve hatların etrafındaki bütün kesicilere açma sinyali gönderdiği gözlemlenmiştir. Mikroşebeke koruması için tasarlanmış olan adaptif koruma sisteminin doğru bir şekilde çalıştığı görülmüştür. 
Ayrıca, sistemde normal çalışma ve adaptif koruma durumlarında rölelerin açma süreleri üzerinde çalışmalar yapılarak iki durum karşılaştırılmıştır. Örnek mikroşebeke sistemi için normal çalışma ve adaptif koruma durumlarında bazı çalışma senaryoları için Hat 1'de 3 faz arızası gerçekleştirilerek rölelerin açma süreleri gözlemlenmiştir. Normal çalışma durumunda Hat 1'de 3 faz arızası olduğunda hattın etrafındaki bazı kesicilerin açmadığı ve sistem korumasının sağlanamadığı görülmüştür. Aynı zamanda, adaptif koruma durumunda normal çalışma durumuna kıyasla rölelerin daha kısa sürede açma yaptığı görülmüştür.

Abstract:
Electrical energy; It is a kind of clean energy which can be easily transformed into other energy types and has great importance in our lives. Electric energy, which is improving the quality of life in human life, is the most important factor that provides economic and social progress which is one of the basic requirements for industrial production. Increasing energy prices, global warming and climate change, population growth in the world and in our country and increasing of living standards, increase in energy demand parallel to developments in industry and technology, to be dependence on fossil fuels which rapidly consumed  in the near future, to get rid of dependence on other world countries, to ensure supply security and developments in the field of new energy technologies lead to new searches for countries. Because of these reasons, it is seen that the need for the production of electricity from renewable energy sources is increasing day by day.
Nowadays, with the wispread use of renewable energy sources, consumers have had opportunity to produce and consume their own electric energy. With the production of electricity from renewable energy sources, the system losses in the transmission and distribution of electricity energy to the regions away from the production facilities have been eliminated. 
Difficulties and losses that may occur during the phases that the electrical energy produced by the transmission lines and the distance from the centers to the distant areas and from the medium voltage to the high voltage, from the high voltage to the medium and low voltage and to the consumers until it reaches the consumers, inevitably made the establishment of the small size networks. These main reasons have led to the emergence of the concept of microgrid, which can produce and consume its own electrical energy, which provides more efficient electrical energy without transmission and distribution losses to rural areas. 
Microgrids are hybrid structures, also called smart grid applications, which are composed of distributed energy sources, energy storage units and controllable loads, as a result of the integration of renewable energy sources and conventional power plants.
Microgrids are systems capable of operating both network dependent and network independent, transmitting electrical energy from distributed production source to loads. In the case of network dependent, microgrid transmists the generated energy in parallel with the network to the loads, if the energy produced from distributed production sources is not sufficient for the supplied by the microgrid, in this case the loads are suplied from main supply. In any fault cases or intentionally, the microgrid can be switch to main network independent operation. 
Distributed production resources in microgrids are renewable energy sources such as solar panels, wind turbines, combined heat and power plants, gas turbines, hydro energy, fuel cells. As microgrids have more than one production source, bidirectional power flow occurs in the network.
One of the most critical aspects of a power system is power protection. Power protection requires the use of protective devices in the event of a short circuit or electrical failure to ensure that the system components are not damaged and that the system is as fragmented as possible. In order to ensure the continuity of the electrical energy in an uninterrupted and quality manner, and in order to ensure the continuity of the system in case of failure, the operating elements must be protected from the production to the consumption. There is a need for a protection and control system to ensure the smooth operation of the system in the event that the micro grids operate in renewable power supply due to natural phenomena or other reasons, because they have a bi-directional power flow due to more than one production source. The protection system applied to ensure the protection and control of the variable systems must also be capable of keeping pace with changes. The application of a protection system that can adapt to the varying conditions in the microgrids will also increase the reliability of the protection.
The protection must respond to both utility grid faults and microgrid faults. The fault is present in the utility grids; in order to protect the microgrids loads, it is necessary to isolate the microgrids quickly from the utility grids. If the fault is within the microgrids; the protection system must isolate the smallest possible portion of the microgrid so as to minimize the possibility of damaging the network elements.
In adaptive protection systems, the protection relay has the ability to change the protection setting parameters after detecting changes in system conditions. Thus, Adaptive protection system can adapt to all working scenarios that may occur in the system and minimize the possibility of system malfunction. For this reason, Adaptive protection systems provide more reliable and selective protection for the system compared to classical protection systems. Therefore, it is inevitable that the companies that produce their own electricity and electricity distribution companies prefer adaptive protection systems instead of classical protection systems. 
In this study focused on protection of microgrids with central adaptive protection. As a result of the analyzes carried out in the central adaptive protection method, the data obtained are recorded in computer environment. In adaptive protection systems, the relays communicate with a main center and update the setting parameters after changes in the operating state of the microgrid. In the central adaptive protection system, the relays provide faster and more reliable protection by communicating with each other and with the main center. 
During the creation of the central adaptive protection system, all operating conditions are examined by tripping status and closing status of circuit breaker in the network. According to the central adaptive protection method, if the number of circuit breakers n of microgrid, number of operating scenarios is 2n. In this study, there are 9 circuit breakers in the designed microgrid. According to the central adaptive protection method, the number of operating scenarios should be 29. However, when the operating scenarios are examined, it is seen that some situations are the same. Seven different operating conditions are determined for the modeled microgrid. These conditions are created for normal operation, operation in island mode, and deactivation of distributed production sources. 
A microgrid system has been created in Matlab / Simulink software environment. According to the operating scenarios, 3-phase and phase-phase faults have been realized in busbars and lines. Thus, maximum and minimum fault current peak values in busbars and lines were determined. In addition, the peak values of current flowing through lines and busbars were observed in normal operating conditions. According to all the data obtained, the current setting values of the relays were determined for system protection.
Relays are designed in the Matlab / Simulink software environment for the adaptive protection of the microgrid with the current set values. The relay are designed for the protection of 3 busbars and 2 lines in order to protect the microgrid against faults. In other words, a total of 5 relay designs have been made for system protection. The relays are designed to protect the system from faults by sending a trip signal to all circuits around the busbars and lines when occur faults at the busbars and lines. 
Whether the designed relays work correctly or not have been tested in busbars and lines in the Matlab / Simulink software environment by performing faults. As a result of the experiments, when occur faults at the busbars and lines, the relays send a trip signal to all the breakers around the busbars and lines. The adaptive protection system designed for microgrid protection has been shown to work correctly.
In addition, in case of normal operating and in case of adaptive protection in the system, two cases have been compared by making studies on the tripping times of the relays. In case of normal operating and in case of adaptive protection for the sample microgrid system, 3-phase fault in line 1 are realized for various operating scenarios and the tripping times of the relays are observed. In normal operation, it is seen that in case of a 3-phase fault in line 1, some circuit breakers around the line do not trip and system protection is not provided. At the same time, it has been observed that in the case of adaptive protection, the relays trip faster than in normal operation.